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工程结构安全评估与防灾技术团队
2020-09-22 10:30  


  西南石油大学土木工程与测绘学院工程结构安全评估与防灾技术团队主要致力于钢结构及钢-混凝土组合结构、桥梁结构抗风、海洋工程结构、工程结构抗灾及维修加固、新型材料和智能材料等方面的研究工作。

工程结构安全评估与防灾技术团队目前形成了以四川省有突出贡献的优秀专家邵永波教授为学术带头人,由10位具有博士学位、3位具有硕士学位的全职教师组成的研究团队,其中正高2名,副高5名,讲师5名和实验员1名。团队中包括2名外籍教师,2人具有国外留学背景,5人具有国外访学交流经历。

 

 

 

 

邵永波 教授 博导

Mostafa Fahmi Hassanein

教授 硕导

蒲万丽 副教授 硕导

孙鸿玲 副教授 硕导

 

 

 

 

Hazem Samih Mohamed

副教授 硕导

朱一林 副研究员 硕导

赵翔 副教授 硕导

吴梦雪 博士 讲师 硕导

 

 

 

 

陈成 博士 讲师 硕导

杨元意 博士 讲师 硕导

邓利霞 博士 讲师 硕导

杨婷婷 博士 讲师

 

 

 

 

杜一鹏 博士 讲师

刘君 博士 讲师

 

 

工程结构安全评估与防灾技术团队重视基础理论创新与工程应用相结合,团队先后承担了国家自然科学基金、四川省青年科技创新团队、四川省国际合作项目、四川省基础研究项目等国家和省部级项目20余项;获湖北省科技进步一等奖1项、四川省科技进步三等奖1项、山东省自然科学三等奖1项、中国海洋工程科学技术二等奖2项、中国石油和化工自动化协会科技进步二等奖1项;承担了省部级教改项目4项。获国家发明专利和实用新型专利20余件。在各类学术刊物上发表科研论文近360篇,其中SCI收录论文170余篇,培养博士、硕士研究生80余名。

团队目前的主要研究方向包括钢结构和钢-混凝土组合结构构件和节点基本理论与设计方法研究、海洋工程钢结构设计分析方法及性能评估、桥梁结构抗风与风--桥耦合振动、工程结构抗灾及维修加固、新型水泥和混凝土材料,具体如下:

   钢结构和钢-混凝土组合结构材料、构件和节点基本理论与设计方法研究 

1 波纹腹板梁和钢管翼缘梁 

波纹板比平钢管面外抗弯刚度大,可有效提升传统平腹板屈曲能力,并避免焊接过多加劲肋带来的疲劳强度低的问题。利用波纹板受拉时的折叠效应,提出了波纹腹板工字梁整体失稳和局部失稳的计算和设计方法;补充了高强度钢波纹腹板梁的设计理论,为波纹腹板梁的工程应用提供了重要的设计方法。为了提高波纹腹板工字梁的整体稳定性,提出了钢管翼缘和钢管混凝土翼缘替代平钢板翼缘的方法,通过钢管的闭口截面改善梁整体抗扭转能力,从而极大地提升了梁整体失稳的临界荷载。将波纹腹板和钢管翼缘结合形成了一种新型的钢管翼缘-波纹腹板组合工字梁,显著改善了梁的静力承载能力和疲劳强度,并提出了变截面组合梁性能的分析方法。

 

 

 

 

 

纹腹板局部屈曲形式

楔形钢管翼缘-波纹腹板梁

钢管翼缘-波纹腹板梁弯曲和剪切失效

 2 -柱延性节点设计 

钢框架结构在地震作用下应避免梁-柱焊接节点部位先于构件发生脆性断裂失效,基于“塑性铰外移”思想设计各种形式的延性梁-柱节点,包括加强型和削弱型节点形式。削弱型梁-柱节点都是在梁构件的翼缘或腹板(腹板承受一定比例的弯矩时)进行削弱将失效部位由节点外移到梁构件削弱截面处。创新性地提出了梁腹板局部采用波纹腹板的方法达到塑性铰外移目的,利用波纹腹板的折叠效用实现抗拉能力基本为零而同时不削弱腹板的抗剪能力的设计思想,为新型延性梁-柱节点的设计提供了新的思路。

 

钢结构梁-柱延性节点理论模型和试验测试

  3 高强钢热影响区材料属性研究 

焊接过程中热影响区内各子区域会经历不同的焊接热循环,形成多种微观结构,从而影响焊接高强钢构件力学性能的各个方面,包括静力强度,疲劳性能和冲击韧性等。因此,对高强钢热影响区的力学性能的掌握是揭示影响焊接对高强钢构件结构性能影响的关键因素。团队对热影响区的微观结构和材料性能进行了初步研究,揭示了不同峰值温度和冷却速率下形成的微观结构所对应的材料属性,为进一步深入研究焊接过程对高强钢构件焊后性能的影响奠定了基础。

 

高强钢焊接热影响区材质微观结构及对材料性能的影响

4 焊接过程对高强钢节点焊后静力强度的影响

    高强钢焊后静力强度的改变是焊接过程对高强钢构件力学性能影响的其中一个方面。在采用不同焊接方式及焊接热量的情况下,焊接过程对焊接高强钢构件的静力强度影响不同。团队采用实验研究和有限元分析相结合的方式,对使用不同焊接热量制备的S690高强钢对接节点的静力强度进行了系统的分析。建立了焊接热量与热影响区宽度和节点强度之间的关系。通过有限元分析,模拟了非均质热影响区材料属性的形成过程。基于对比实验结果,确定有限元分析准确性的前提下,进行了参数分析,为高强钢焊接过程提出指导建议,以降低焊接过程对高强钢节点静力强度的影响。 

 

高强钢焊接接头静力强度评估方法

5 焊接容器和焊接输气管道焊缝裂纹缺陷对结构完整性的影响

建立了焊接高压容器和焊接输气管道在焊接部位包含各种裂纹缺陷的有限元分析模型,包括:表面裂纹、穿透裂纹、内嵌裂纹、环状裂纹等,通过有限元仿真模拟分析计算得到焊接部位裂纹的应力强度因子,提出了含裂纹缺陷容器和管道完整性评估方法。

 

含各种裂纹缺陷的高压容器及输气管道焊接部位完整性评估

6 工程金属构件单场/多场耦合循环本构模型研究 

建立可合理描述材料循环变形行为的本构模型是评估工程结构件疲劳性能和服役安全性的一项极其重要的基础性研究工作。基于Abdel-Karim-Ohno先进随动硬化律和对数应力率,团队建立了严格自洽的大变形循环塑性模型;之后,团队进一步建立了热-力两场耦合的弹-粘塑性循环本构模型。对所建模型,均进行了有限元实现(移植到ABAQUS商用软件中);针对已有随动硬化律描述应力-应变滞回环方面的缺陷,团队首次发展了可以合理描述应力-应变滞回环的循环本构模型,解决了循环本构关系长期以来的研究空白,为热--损伤多场耦合循环本构关系的建立奠定了基础。

 

  海洋工程钢结构性能分析和失效评估方法 

1 考虑局部节点柔度的导管架平台整体结构性能分析方法 

考虑到导管架平台焊接管节点部位存在明显的局部非刚性(柔度)现象(Local Joint Flexibility,简称LJF),分别采用弹簧单元和虚拟梁单元建立了模拟LJF的导管架平台杆系模型,用于平台的线弹性和弹塑性分析。该模型克服了以往导管架平台分析时采用刚接杆系模型造成的结构刚度偏大、承载力偏高的缺点,可方便用于导管架平台的线弹性分析(如承载力设计、疲劳强度和寿命计算、线弹性振动等)和弹塑性分析(如抗震分析、海啸等强动力作用、抗火分析等)。提出的模型通过试验验证证明了其精确性和可靠性。 

    

 

   

考虑节点局部柔度的导管架平台性能分析杆系模型

  2 导管架平台焊接管节点部位疲劳和断裂性能评估 

建立了考虑焊缝细节和疲劳裂纹的焊接管节点有限元模型,尤其是针对管节点焊趾处任意位置和任意尺寸的表面裂纹,提出了分区域多单元类型的网格产生技术,可以精确模拟疲劳裂纹扩展过程,从而为导管架平台疲劳评估提供可靠的设计方法研究了焊接管节点沿着焊趾的热点应力分布规律,从而准确定位疲劳裂纹萌生位置。分析了含疲劳裂纹管节点静力失效过程和静力强度计算方法,提出了基于双参数(断裂参数和强度参数)的失效评定方法。 

  

 

焊接管节点疲劳和断裂性能评估方法

  3 海底管道应力腐蚀疲劳性能研究 

设计了浸入海水中紧凑拉伸CT试件应力腐蚀疲劳试验加载方案,研究了空气和海水中疲劳裂纹扩展速率的差异,得到了海水和空气中裂纹扩展速率评估常数。基于CT试件试验测试结果,建立了含疲劳裂纹海底管道腐蚀疲劳失效过程的分析方法,通过足尺度海底管道腐蚀疲劳试验测试,验证了模型的精确性,为海底管道腐蚀疲劳寿命评估提供了设计方法。 

   

海底管道应力腐蚀疲劳性能研究

  4 含腐蚀和凹痕缺陷的海底管道承载力评估 

开展了含凹痕和腐蚀缺陷的足尺度海底管道试件轴压、弯曲和压弯耦合作用下的静力失效过程试验测试和理论分析,研究了凹痕和腐蚀尺寸对管道静力承载力的影响规律,提出了含凹痕和腐蚀缺陷管道静力承载力计算公式

   

   

含凹痕和腐蚀缺陷管道轴压和弯曲性能研究

  桥梁结构抗风与风-车-桥耦合振动 

1 桥耦合振动响应的概率统计特征及评价准则研究 

随着交通密度日益增加,荷载不断加重,强风和车辆荷载的长期持续作用会直接影响大跨度桥梁结构的安全性和使用寿命。而强风激发的大跨度桥梁振动和作用于车体的侧风也使得桥上车辆运行的安全性和旅客乘坐的舒适度问题变得尤为突出。为了解决传统风场模拟方法中人为离散风场导致的作用在车辆上的脉动风速出现突变的问题,针对我国《公路桥梁抗风设计规范》中规定的纵向脉动风谱,提出了一种能够考虑车辆运动的紊流随机模型;研究了列车所受风荷载发生突变的机理,分析了突变的风荷载对列车运行安全性和平稳性的影响;研究了列车动力响应的平稳性和各态历经性;构建了基于高斯混合模型的列车动力响应峰值的概率密度函数。

            

       考虑车辆运动的紊流随机模型    桥上双车交会对列车动力响应的影响 桥塔遮风效应对列车动力响应的影响

       

列车多体动力学仿真模型                列车—桥梁耦合振动系统多体动力学仿真

  2 环境腐蚀联合作用下桥梁关键构件腐蚀疲劳可靠度研究 

在桥梁运营过程中,桥梁的主要受力构件(钢桥面板、拉索、吊索等)一直处在交变荷载(风荷载、车辆动荷载等)和环境腐蚀的共同作用下,这种腐蚀和疲劳的耦合作用易使桥梁的重要构件发生腐蚀疲劳损伤,腐蚀疲劳损伤是使构件力学性能退化、寿命降低、甚至退出工作的重要原因。针对随机车流和风荷载联合作用下大跨度沿海斜拉桥拉索的疲劳可靠度以及山区大跨度悬索桥吊索的疲劳可靠度分别开展了研究:基于线性累积损伤理论推导了服役期内斜拉索疲劳可靠度及疲劳寿命预测公式;结合某山区大跨悬索桥桥址区风和车流的实测数据,研究了随机风和车流荷载联合作用下大跨悬索桥吊索的疲劳可靠度。

  

桥梁有限元模型                   拉索应力时程和幅值                     吊索疲劳可靠度的变化

 工程结构抗灾及维修加固

1 焊接钢管结构及节点抗火性能 

建立了焊接钢管结构节点部位在火灾环境下失效过程的理论分析模型和稳态及瞬态热传导有限元仿真模型,通过对负载管节点试件的升温测试,提出了基于强度折减系数和弹性模量折减系数法预测高温下管节点承载力计算公式;提出了基于临界温度法预测高温环境下焊接管节点临界状态方法;研究了火灾后焊接管节点疲劳性能和滞回性能;在管节点抗火性能分析的基础上,提出了基于虚拟梁单元模拟焊接管结构节点部位局部柔度的杆系抗火分析模型,为焊接管结构抗火性能评估提供了高效精确的分析方法。

 

管节点抗火及火灾后性能研究

2 结构在高温和振动耦合作用下性能分析 

复杂环境下型钢混凝土构件振动特性和传热特性是型钢混凝土结构抗震理论研究和防火理论研究的核心问题。团队系统完成了多个型钢混凝土试件,包括梁、柱和子结构框架的有限元仿真和理论半解析解的工作系统建立了一套热荷载和多种动力荷载复合作用下型钢混凝土构件抗震承载力计算方法;提出温控减隔震”理念,考虑传热与振动的耦合作用,发现振动模态温度场分布的对应关系;提出钢桁架防火模型和钢“框架-剪力墙” 防火模型,建立了型钢混凝土框架防火的理论分析模型

 

含裂纹细长钢构件热力耦合抗震-防火联合模型中的振动模态与温度场分布对应关系

3 钢管结构抗冲击性能分析 

基于冲击动力学理论建立了焊接钢管节点和焊接钢管桁架在冲击荷载作用下的失效过程分析模型,设计了钢管结构落锤冲击试验方案,揭示了钢管结构和管节点在冲击作用下失效过程的冲击力时程曲线、变形时程曲线和冲击过程中能量转换机理;建立了单层海底管道和双层海底管道在横向荷载冲击作用下失效过程的有限元分析模型,研究了内层管道对外层管道抗冲击性能的协同作用,提出了管道冲击变形分析方法。

   

钢管构件及节点抗冲击性能研究

4 钢结构体系抗震性能评估 

建立了钢结构框架体系耦合动力学分析模型,综合考虑地震横波和纵波效应,结合已经建立的框架耦合模型,推导了钢结构框架体系地震响应的半解析解;完成了钢结构框架体系的耦合系统模型拟动力试验与静力推覆试验及有限元仿真,提出了钢结构框架体系的强震倒塌破坏机理;建立了设备系统计算模型及其破坏准则、钢结构框架体系的破坏准则与破坏机制、地震作用下的性能水准和抗震性能目标;建立了钢结构框架体系的抗震设计方法。研究了钢结构框架体系振动中扰力识别、调谐作用、非经典阻尼、振动限值等,建立了钢结构框架体系的振动测试、安全性评估理论。

  

钢框架体系耦合动力学分析模型

基于虚拟梁单元模型建立的导管架平台简化杆系模型分析了地震波作用下平台的非线性振动和失效过程,考虑了导管架平台节点部位局部柔度对平台整体结构抗震性能影响,为胜利海域采油平台的延寿评估提供了技术支持。

 

5 钢管构件和节点加固技术和加固效果评估 

针对钢管结构焊接节点部位加固方案研究了环口板加固、垫板加固、肋板加固、内置插板加固、内置环板加固、主管管壁厚度局部增大、纤维增强复合材料(CFRP)加固等不同加固方案,建立了各种加固方式的数值仿真模型,分析了节点几何参数和加固件尺寸等因素对焊接管节点加固效果的影响。研究了各种加固方法对提高管节点静力承载力、失效模式和机理、疲劳寿命、滞回性能、抗冲击性能和抗火性能的效率,提出了加固后性能的评估方法和技术。

 

   

焊接钢管节点加固方案及加固效率研究

 

研究了碳纤维增强复合材料(CFRP)对加固空心钢管和钢管混凝土构件的轴压和弯曲性能,明晰了CFRP对钢管的约束作用是提升钢管和钢管混凝土构件承载力的主要原因;提出了CFRP加固钢管和钢管混凝土构件的轴压和弯曲承载力计算公式;分析了受载钢管和钢管混凝土构件的CFRP加固效果,并给出了理论分析方法,评估了受载率对CFRP加固效果的影响。研究了CFRP加固方法对提升焊接钢管节点承载力的效率,研究了CFRP包裹层数和长度对提升节点承载力的影响规律。建立了CFRP加固钢管和钢管混凝土构件、钢管节点静力失效过程的有限元仿真模型,研究了CFRP失效机理和失效准则对仿真效果的影响。

 

CFRP加固钢管和钢管混凝土构件及CFRP加固管节点性能研究

  新型材料和智能材料

1 高性能纤维增强水泥复合材料 

纤维复合化是水泥基材料研宄领域的重要分支,也是建筑材料向高强和高性能化方向努力的重要途径。纤维材料的掺入,能够大幅提高水泥基复合材料的强度、耐久性、形变能力等性质,从而大大改善水泥基材料的综合性能。团队研究了多种新型纤维增强水泥基复合材料,建立了多参数条件下复合纤维增强水泥基材料的准静态压缩本构关系;分析了不同种类纤维对水泥基复合材料断裂性能参数的影响规律,提出了纤维增强水泥基复合材料阻裂能力的评价指标。

 

  2 轻质泡沫混凝土 

目前我国建筑高性能防火保温隔热材料具有巨大发展潜力,具有轻质、环保、节能、价格低廉、隔音、安装快捷等优势的轻质泡沫混凝土材料作为绿色建材成为了目前研究和发展的热点。团队以成本低廉的普通硅酸盐水泥,通过常温化学发泡法制备了孔隙均匀、密度在100-800kg/m3范围内的新型泡沫混凝土材料;实现了泡沫混凝土不同孔隙半径、孔隙率、密度的自由调控,形成了泡沫混凝土材料配合比设计方法;通过多尺度纤维复合增强作用,制备了不同尺度纤维混杂增强轻质泡沫混凝土,建立了泡沫混凝土材料单轴压缩损伤模型,探讨不同尺度纤维增强、增韧超轻泡沫混凝土材料力学性能的影响规律及作用机理,显著改善了轻质泡沫混凝土材料抵抗应力破坏的能力。

 

  3 多功能和机敏建筑材料及智能结构系统 

混凝土材料资源丰富、成本低廉、可塑性好、使用和维护简单,是最常用的结构工程材料。通过合理的结构和组分设计,在充分发挥混凝土材料结构特性与耐久性的同时,还能获得电磁屏蔽、自感知、自清洁等功能特性,是未来建筑材料智能化最有力的发展方向。团队制备了1维纳米线和2维纳米石墨烯、MXene填料,并对纤维和纳米填料增强混凝土复合材料电磁屏蔽性能影响规律展开了研究,为建筑电磁吸波材料结构优化和性能突破提供了理论依据。同时,探索了复合材料力学参数与电信号的本构关系和力敏功能性,对结构与功能一体化设计的建筑智能材料和结构健康监测展开了研究。

 

4 拉胀超材料设计 

发展了通过考察金属基拉胀材料泊松比演化和塑性应变分布之间的关系分析金属基拉胀超材料变形机理的新方法,并进一步设计了拉胀效应和吸能效果更好的曲臂六节点手性结构和多级曲臂六节点手性结构;首次将等几何分析优化法应用在超材料设计领域,设计了形状优美、易于制备的花瓣结构;发展了在大变形范围内具有可调恒定负泊松比的增强六臂缺失支柱结构,并进行了三维拓展。

 

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