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结构工程实验室——烟台大学

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(2)工程结构抗震、隔震及振动控制

该研究方向的主要包括以下两个方面的研究内容:

1、工程结构抗震、隔震和振动控制研究。围绕基于结构性能的抗震研究,将理论分析、实验验证与计算机模拟相结合,从计算方法和力学模型两个方面,以提出的考虑结构内部质量分布及剪力滞效应的单元刚度分布矩阵的局部动力效应为理论指导,以自行开发的具有自主知识产权的计算软件为主要工具,结合实验技术和大型结构分析软件的应用,针对工程建设中的相关问题,研究结构动力分析的新理论、新方法。从结构抗震分析方法及抗震分析力学模型的修正两个方面,系统探讨考虑结构内部质量分布的质量矩阵及剪力滞效应的单元刚度矩阵影响的结构局部动力效应问题。通过原型、模型试验与数值计算相结合的方法,使修正模型更好地反映实际结构局部动力特性。在修正的建筑结构动力学模型基础上,以减小结构层间位移和层间绝对加速度为目的,提出用静态绝对加速度反馈控制理论对地震荷载作用下影响的滞回曲线形状,提高结构计算精度。

2、灾害预警与防灾减灾体系研究:灾害预警与防灾减灾体系科技服务平台拟以烟台大学土木工程学院为基地,建立针对烟台市的有效灾害预警系统与防灾减灾体系。立足于防灾减灾领域科学与技术研究,通过烟台及其周边地区历史自然灾害数据库的建设,围绕地震、气象、火灾、滑坡、地面塌陷、海啸等灾害的预警与工程防御,扩大硕士研究生的招生,建成防灾减灾工程高层次人才的培养基地;建立灾害信息和数据的交流与共享平台,成为提高烟台市公众防灾意识和获取自我保护知识的宣传基地。减轻自然灾害是一项系统工程,它包括对自然灾害的监测、预报、评估、防灾、抗灾、救灾、恢复、教育、保险与综合管理。本平台拟以地震、气象(风暴潮、雨灾、雪灾、冰雹等)、火灾、滑坡、地面塌陷、海啸等自然灾害为对象,长期开展烟台市历史自然灾害资料普查工作,开展灾害机理、灾害监测与预警、灾害评估与仿真、灾害工程防御等研究。可开展的主要研究方向包括:烟台市历史自然灾害资料的调查及数据库完善,自然灾害监测与应急处置技术研究,工程结构地震破坏机理与减灾技术研究,岩土灾害监测预警技术研究,海啸监测预警技术,以及灾害预警信息发布方式及途径研究。依托烟台大学土木工程学院,初步建立烟台市灾害预警与防灾减灾体系科技服务平台,增进多部门、多学科的相互协作与交叉,共同推动灾害机理、预警理论和工程防御技术的进步,为政府防灾减灾政策制定提供技术支撑,确保地方经济的可持续发展。

(3)钢和组合结构节点的力学性能研究

目前该方向的研究工作主要集中在两个方向:1、钢管节点结构的稳定、疲劳和断裂破坏;2、钢管混凝土结构梁-柱节点力学性能和计算方法的研究。

第一个研究方向上,由于钢管节点结构大量应用在桥梁、铁路、海洋平台和一些大跨结构中,除了传统的静力极限强度设计之外,应用在桥梁、铁路和海洋平台中的管节点结构由于经常承受循环荷载而容易发生疲劳断裂破坏。该研究内容主要通过计算管节点焊接部位的应力集中系数(从而可以计算出热点应力幅大小)以及疲劳裂纹的应力强度因子来评价管节点结构的疲劳和断裂破坏过程。该研究方向的前期工作中,提供了一系列管节点焊缝周围应力集中系数的参数公式以及热点应力分布规律,并给出了计算开裂节点表面裂纹应力强度因子的有限元模拟方法。通过实验测试和有限元分析,提出了计算管节点中表面裂纹应力强度因子的参数公式。这方面的研究研究成果已经发表在国内外很多权威杂志上,如《工程力学》、《船舶力学》、《机械强度》、《机械工程学报》、《计算力学学报》、《International Journal of Fatigue》、《Structural Engineering & Mechanics》、《Engineering Failure Analysis》、《International Journal of Space Structures》和《Journal of Constructional Steel Research》等,这些文章均被SCI或EI收录。研究的成果得到国际上很多著名专家的好评,如澳大利亚Monash大学的Zhao Xiaoling教授、瑞士联邦工学院的M. Hirt教授均认为“本研究成果代表了管节点疲劳寿命领域的新的水平”,新加坡钢结构协会拟采用本研究成果作为管节点设计规范。在改研究方向上分别承担了国家自然科学基金、教育部留学归国基金等项目,获得了山东省自然科学三等奖、山东高等学校优秀科研成果三等奖等。由于对各种不同类型的节点结构进行了研究,研究组成员拟计划在将来的研究工作中,能提出用于估计管节点疲劳寿命的统一公式,以弥补国内钢结构设计规范中尚欠缺的部分。此外,对于管节点加固的研究也是这方面的主要研究工作之一,包括加强环、插板、垫板和环口板等各种加固方式的研究。

第二个研究方向针对目前在我国工程实践中常用的钢管混凝土梁-柱典型的连接节点形式,从实验和理论两个方面进行了较为深入的研究,并采用非线性有限元软件建立了钢管混凝土梁-柱连接节点在往复荷载作用下的分析模型,成功计算了钢管混凝土结构梁-柱连接节点的滞回曲线,计算结果得到大量实验结果的验证。利用理论模型分析了节点的滞回特性和不同轴压比下节点的滞回损伤规律,比较了滞回曲线骨架线与单调荷载下的荷载-位移关系曲线之间的差异。借助OPENSEES工作平台,建立基于纤维梁单元的分析模型,对组成钢管混凝土梁-柱连接节点进行往复荷载下非线性全过程分析,比较了两种计算方法的差距,互相验证了计算的可靠性,给出了节点的刚性判断标准。相关成果发表在《土木工程学报》、《哈尔滨工业大学学报》、《工业建筑》、《钢结构》和一些国际和国内会议论文集上,其中一些文章被EI和ISTP收录,取得一项专利,获得山东省科技进步二等奖一项,协助完成国家杰出青年科学基金一项,福建省引进高层次人才科研项目一项。该方向将来拟在空间钢管混凝土梁-柱连接节点的力学性能及数值模拟方法上进行更深入的研究。具体内容包括:多节点形式、空间节点形式、楼板对节点承载力及工作机理的影响以及在实验和理论分析的基础上进一步提出节点恢复力模型等。 

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