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“中国尊”用上的高科技
时间:2017-02-07 09:34:53 点击:
      地震带来的倒塌对工程结构有何影响?了解破坏机理,对于建筑的防震减灾设计有非常重要的价值。
  现实中,因为一些大型复杂工程在地震作用下的破坏具有不同的形态,内部的损伤发展的方式很多,科学家尝试模拟再现建筑结构倒塌的全过程,通常用到的是传统的数值计算和物理试验方法,数值计算存在与真实结构差异性大的问题,但是不受空间限制;物理试验最直接真实,但是实验室空间有限,不能对整个结构做试验,两者均难以准确模拟大震损伤破坏的全过程。
  上世纪末,在线混合试验技术出现。该技术结合了数值计算和物理试验的优点,将工程结构中力学行为复杂的部分采用物理试验模拟,而易于把握的部分采用数值计算模拟,这样两者就能协同完成整体结构的动力反应模拟,成为目前最行之有效的模拟建筑架构坍塌的手段。
  中国地震局工程力学研究所研究员王涛介绍,在线混合试验方法固然好,但在实际运用中却存在三大技术瓶颈。一是缺乏计算和试验的同步协调理论;二是难以实现复杂边界的协调控制;三是缺少通用的试验平台和可信的试验验证。这也是地震学界一直希望突破的难题。例如国内清华大学、哈尔滨工业大学和湖南大学都有混合试验平台,但是采用不同的系统架构,无法通用。
  针对上述问题,王涛团队历经12年的研究与实践,在试验理论、模型设计、计算处理方法等方面做出改进和完善,为建筑安全设计提供了有力保障。该团队完成的项目“大型复杂结构在线混合试验关键技术与应用”也因此获得2016年国家科技进步奖二等奖。
  王涛介绍,该项目创新主要体现在三方面。首先,针对数值模拟和物理实验结合的难题,发展了隐式显式协同理论,提出了基于历史数据的智能刚度预测方法。经测算,与传统方法对比,新方法的可消除能量误差达到了20%—40%。针对复杂边界的协调技术问题,提出了基于重叠领域分割法的柔性加载制度,解决了非显式自由度的加载难题。另外,团队还搭建了对等对子结构系统,创造了高并行、可拓展的星状拓扑结构,克服了链状拓扑结构的不足。
  该项目获得国家发明专利4项,发表SCI检索论文46篇,并出版了国际上首部系统阐述在线混合试验理论和关键技术的专著。包括广州大学周福霖院士在内的多位权威专家表示,该研究成果为抗震试验研究提供了新方法和新途径,显著提升了我国在抗震试验研究领域的影响力,总体上达到国际领先水平。美国、意大利、英国等国际同行认为,该项目解决了国际地震工程界面临的重大技术挑战,代表国际最高水平。
  据介绍,该项目成果在美、日等国际重大科研项目中得到应用,为我国“建筑安全与环境国家重点实验室”等国家级平台提供核心技术,目前成功地应用于北京最高建筑中国尊的异性分叉柱试验、亚洲最大山区悬索桥云南龙江特大桥梁的混合试验、邹城国际会展中心大跨结构倒塌模拟混合试验等大型复杂工程建设项目试验验证,较好地验证了其抗震性能。项目成果还被纳入《建筑抗震试验规程》,为《建筑抗震鉴定与加固规程》等4部规范的编制和修订提供依据。
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