韧性钢结构和智慧结构实验室

研究团队:

  • 首席研究员:
任志浩教授(教授,香港理工大学)
  • 研究成员:
钟国辉教授(教授,香港理工大学)
陈德明博士(副教授,香港理工大学)
方成博士(副教授,同济大学)
柯珂博士(副教授,重庆大学)
  • 合作研究成员:
周绪红教授(教授,重庆大学)
冯然博士(副教授,哈尔滨工业大学(深圳))
张惊宙博士(博士后,香港理工大学)
王俊杰博士(博士后,香港理工大学)

地点:Z座ZB207

引言:

  • 背景

目前,土木工程结构面临着日益增长自然或人为灾害风险,如地震、风、火灾、爆炸和冲击作用。工程结构的倒塌会给社会造成严重的人员伤亡和财产损失。因此,提高结构在各类风险中的可靠度和安全性具有重要意义。

然而,对于一些破坏严重的幸存建筑物(通常层间位移超过0.5%),相较于建筑物修复费用,拆除建筑物会显得更加经济[1]。根据ASCE基础设施报告,美国土木工程结构的修复费用约为1230亿美元 [2] 。而且,即使能够修复受损结构,建筑功能的停用也会对社会造成重大的间接损失,这些后果与ASCE所提出的可持续性指导方针相悖,即在优化结构时,不仅应考虑结构效应及其荷载响应,还应考虑对周围环境和生态系统的响应及其相互作用 [3]。由此可见,基于生存安全传统设计理念已经远落后于可持续性的要求。因此,提高灾后工程结构的韧性和最大限度减小其对社会的影响,是保障社会可持续发展的重要组成部分。

中国一些三四线城市仍有许多低中层住宅,建造这些住宅通常需要花费10-20年的家庭收入,因此灾后受损建筑物的修复费用将对居民造成巨大的经济压力。韧性钢结构与智慧结构实验室致力于发展智慧结构的基础理论和其应用技术,通过应用基于新材料技术,新型节点、结构构件和结构体系,提高钢结构在各种灾害下的韧性。通过减轻灾害的破坏程度和避免结构出现大的层间位移,能够显著降低灾后受损结构的后续修复成本,从而进一步促进社会的可持续发展。

  • 研究目标:

韧性钢结构与智慧结构实验室旨在对极端情况下钢结构和智慧结构的韧性开展研究工作。这些情况包括但不限于地震、风、爆炸和冲击作用,会对钢结构的强度和整体性具有重要影响。通过试验研究、理论研究和数值分析,韧性钢结构与智慧结构实验室将提出基于韧性的设计指南和建议,并在实际工程中也将推广具有经济效益的智慧结构构件及体系。韧性钢结构与智慧结构实验室最终目标是推进基于智慧材料的韧性钢结构设计,减轻极端灾害对建筑物的损害,特别是将所研发先进技术应用于加强潜在遭受地震影响的现存中低层建筑结构。韧性钢结构与智慧结构实验室的研究工作将提高建筑结构韧性和自适应能力,有助于社会的可持续建设和发展。

研究室详细信息:

韧性钢结构与智慧结构实验室配置了最先进的试验装置,可以对在各类灾害荷载作用下的结构连接,构件和体系开展足尺试验研究。在试验结果的基础上,通过精细化数值分析深入研究结构构件和体系的性态,从而更好地实现结构的韧性。

韧性钢结构与智慧结构实验室研究领域包括:

  • 智慧材料在抗震结构中的应用。
对使用SMA 螺栓取代普通高强螺栓的外伸端板连接的滞回性能进行了试验研究。节点的设计基本理念是将因地震产生的变形集中于节点处,通过SMA螺栓的变形形成一个 “超弹性”铰。本试验设计并开展8个足尺试件,包括7个使用SMA螺栓的外伸端板节点试件和1个使用普通高强度螺栓的传统外伸端板节点试件。SMA螺栓节点试件具有出色的自复位能力和中等的能量耗散能力,其等效黏性阻尼高达17.5%。按照欧规分类方法,所设计的节点主要归为半刚性、部分强度的节点类型。试验表明:节点的延性是由SMA螺栓的断裂控制,且取决于螺栓净螺纹与螺杆面积比。较小的比率会导致螺栓在净螺纹截面上更早断裂。另一方面,采用高强螺栓-传统外伸端板连接具有良好的能量耗散能力和延性,但残余变形较大。为了更进一步了解SMA节点性能,建立精细化有限元模型并与试验结果进行校验。

参考文献:

  • Fang, C., Yam, M.C., Lam, A.C. and Xie, L., 2014. Cyclic performance of extended end-plate connections equipped with shape memory alloy bolts. Journal of Constructional Steel Research, 94, pp.122-136. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2013.11.008

 

  • 耗能跨在基于韧性设计钢框架中的应用。
为了实现自复位能力和能量耗散能力之间的平衡,提出了为钢框架配备由形状记忆合金(SMA)节点和延性耗能杆组成的耗能跨从而形成了具有部分自复位能力的新型损伤控制钢框架体系。本文探求了该新型结构的非弹性抗震需求,重点研究了体系在近场地震运动下的能量系数谱。基于等效单自由度(SDF)体系和近场地震数据库,并考虑较广的结构周期和滞回参数影响,进行了非线性谱分析,得到超过2500万个能量系数,详细地研究了能量系数的概率特性。该数据库表明能量系数对结构周期和滞回参数的敏感性。此外,能量系数的统计值表明能量系数直方图呈现右偏分布特征。因此,基于对数正态分布模型提出了配置SMA节点和延性耗能杆损伤控制钢框架的能量系数谱模型。通过非线性拟合,提出了一系列预测方程并与能量系数的直方图进行对比,吻合较好。该模型应用于近场地震作用下损伤控制结构的评估,同时从统计学角度证实了其评估的准确性和充分性。

参考文献:

  • Zhou, X., Zhang, H., Ke, K., Guo, L. and Yam, M.C., 2021. Damage-control steel frames equipped with SMA connections and ductile links subjected to near-field earthquake motions: A spectral energy factor model. Engineering Structures, 239, p.112301.https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.112301

 

  • 形状记忆合金(SMA)耗能构件在抗震结构中的应用
提出了自复位耗能摇摆(SC-EDR)柱体系,通过引入一组SMA仅受拉支撑来提高耗能摇摆(EDR)柱的自复位能力,主要研究了其承载能力、应力分布、基础摇摆行为、残余变形和能量耗散等地震响应。
  • 高强钢(HSS)框架的抗震性能
高强钢(HSS)Q690的循环塑性行为作为HSS框架抗震性能的研究基础,在多种循环加载制度下对其循环塑性响应进行了试验研究,包括恒幅应变(CSA)加载制度、变幅应变(VSA)加载制度和随机加载制度。从试验结果可知Q690的循环塑性与塑性应变幅无关并且观察到试件出现循环软化现象,这可能对 HSS 框架的抗震性能至关重要。与此同时,提出了Q690的循环塑性响应本构模型,模拟结果与试验结果吻合良好(相对误差小于5%),表明所提出的本构模型的准确性高。

预期成果

  • 发表高水平期刊论文和学术会议论文
  • 提出设计指南和建议
  • 进行研究研讨会报告
  • 申请专利
  • 培养博士研究生和研究人员

關於我們

CNERC国家钢结构工程技术研究中心香港分中心(以下简称「香港分中心」)于2015年10月12日,获中华人民共和国国家科技部批准在香港理工大学成立。

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