科技成果所屬領(lǐng)域（或研究方向）:土木工程

科技成果名稱(chēng): 大型結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)高效方法與計(jì)算程序

成果簡(jiǎn)介：

u基于可靠度理論的大型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)家自科基金委發(fā)展規(guī)劃等多個(gè)戰(zhàn)略文件中明確指出結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)理論為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域之一。歐美國(guó)家亦將可靠性設(shè)計(jì)列為橋梁長(zhǎng)期性能研究計(jì)劃的重點(diǎn)目標(biāo)。

u研究團(tuán)隊(duì)提出了失效方程零殘差擬合、降維分解計(jì)算可靠度的創(chuàng)新思路，突破了結(jié)構(gòu)可靠度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)效率和精度難以兼顧等技術(shù)瓶頸，建立了高維隨機(jī)變量下大型結(jié)構(gòu)基于多響應(yīng)面與子空間劃分的結(jié)構(gòu)失效模式解耦搜尋與可靠度高效方法，效率較IASSAR(國(guó)際結(jié)構(gòu)安全與可靠性協(xié)會(huì))前主席Gerhart I. Schu?ller提出的線(xiàn)抽樣方法提升20倍以上。依托該創(chuàng)新方法的項(xiàng)目被鑒定為“……研究成果總體上達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”，為我國(guó)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。

u本項(xiàng)目在《Structural Safety》、《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)》等國(guó)際國(guó)內(nèi)權(quán)威期刊等上發(fā)表論文30余篇，授權(quán)相關(guān)國(guó)內(nèi)專(zhuān)利1項(xiàng)，軟件著作權(quán)5項(xiàng)；獲批“復(fù)雜不確定性下時(shí)變可靠度分析方法”等國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目專(zhuān)題、省杰青、國(guó)自科及省自科基金項(xiàng)目5項(xiàng)；成果獲湖南省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、湖南省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

科技成果名稱(chēng):高抗震/抗連續(xù)倒塌性能工程結(jié)構(gòu)與施工優(yōu)化技術(shù)

成果簡(jiǎn)介：

u團(tuán)隊(duì)研發(fā)了基于開(kāi)孔鋼板拉壓屈服的耗能阻尼器和自復(fù)位橋墩、具有高抗連續(xù)倒塌性能的大跨度張弦梁等多種新型裝置、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系，系統(tǒng)開(kāi)展了基于新型組件的張弦梁結(jié)構(gòu)、混凝土框架與橋梁結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌、抗震性能試驗(yàn)與有限元分析，大幅提升了其受力性能；提出了基于可靠度的高性能工程結(jié)構(gòu)施工安全控制與成本優(yōu)化技術(shù)，助力此類(lèi)結(jié)構(gòu)施工安全與精益建造。

u研發(fā)了灌漿套筒封漿裝置及灌漿飽滿(mǎn)度檢測(cè)、止水鋼板穿柱結(jié)構(gòu)方法及裝置、開(kāi)洞鋼筋混凝土梁承載性能的內(nèi)置型鋼增強(qiáng)等技術(shù)，形成了融合設(shè)計(jì)方法、施工工藝、專(zhuān)利技術(shù)為一體的結(jié)構(gòu)高效施工與性能提升成套技術(shù)體系，部分成果被納入湖南省裝配式混凝土建筑鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)規(guī)程；

u本項(xiàng)目已在《Structures》、《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)》等國(guó)際國(guó)內(nèi)權(quán)威期刊等上發(fā)表論文20余篇；發(fā)表美國(guó)專(zhuān)利1項(xiàng)、國(guó)內(nèi)發(fā)明專(zhuān)利、實(shí)用新型專(zhuān)利7項(xiàng)、專(zhuān)利技術(shù)轉(zhuǎn)讓1項(xiàng)；發(fā)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1部、省級(jí)標(biāo)準(zhǔn)4部；獲批省級(jí)工法1部；獲批“工業(yè)建筑負(fù)載下外包鋼筋混凝土加固鋼柱極限承載力研究”等國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目專(zhuān)題和省自科基金項(xiàng)目2項(xiàng)；完成“內(nèi)置型鋼增強(qiáng)開(kāi)洞鋼筋混凝土梁抗剪承載力研究”等橫向項(xiàng)目10余項(xiàng)。

科技成果名稱(chēng): 基于3D打印混凝土永久模殼的少支撐建造技術(shù)

成果簡(jiǎn)介：

u在3D打印混凝土早期本構(gòu)、構(gòu)件的可建造性能及3D打印復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)成型等方面的研究取得了較大進(jìn)展。提出了不同打印路徑對(duì)3D打印混凝土構(gòu)件的可連續(xù)打印性能的影響，并基于摩爾庫(kù)倫本構(gòu)及生死單元法，利用有限元軟件能夠較為準(zhǔn)確的模擬3D打印建造過(guò)程；通過(guò)3D打印混凝土永久模殼的方式，實(shí)現(xiàn)了少/免支撐復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的建造成型。研究團(tuán)隊(duì)已就該項(xiàng)目研究成果與湖南建工集團(tuán)、中建五局等公司達(dá)成戰(zhàn)略合作。

u本項(xiàng)目已在《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)》國(guó)內(nèi)權(quán)威期刊等上發(fā)表論文5篇；授權(quán)相關(guān)國(guó)內(nèi)發(fā)明專(zhuān)利、實(shí)用新型專(zhuān)利4項(xiàng)；獲批“氧化石墨烯改性3D打印混凝土的增韌機(jī)理及建造性能研究”等國(guó)家和省自科基金項(xiàng)目5項(xiàng)；完成了200余根混凝土試件的3D打印。

以上項(xiàng)目成果已在國(guó)內(nèi)首座“類(lèi)雙層”大橋長(zhǎng)沙瀏陽(yáng)河大橋等國(guó)內(nèi)一大批交通、建筑、市政等基礎(chǔ)設(shè)施中應(yīng)用；獲中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果優(yōu)秀獎(jiǎng)；培養(yǎng)了湖南省杰出青年基金獲得者、湖南省湖湘青年英才支持計(jì)劃人選在內(nèi)的青年教師、研究生30余人。

成果展示：

圖1高維空間內(nèi)子空間的劃分       圖2 失效方程的零殘差擬合算法

                                                        

圖3隨機(jī)與固定偏心下的可靠指標(biāo)對(duì)比  圖4三荷機(jī)場(chǎng)整體張拉式鋼索膜屋蓋

結(jié)構(gòu)施工安全控制

圖5中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎(jiǎng)

技術(shù)指標(biāo)：

表1 技術(shù)參數(shù)對(duì)比

序號(hào)	指標(biāo)名稱(chēng)	參數(shù)
1	復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)估方法的離散性：美國(guó)ACI規(guī)范方法的離散性	1 : 45.45
2	子空間高效劃分可靠度方法的模擬次數(shù)：線(xiàn)抽樣方法的模擬次數(shù)	1 : 21.88
3	新型張弦梁結(jié)構(gòu)的抗倒塌承載力：傳統(tǒng)張弦梁結(jié)構(gòu)的抗倒塌承載力	3 : 1
4	基于全概率準(zhǔn)則的混凝土框架“強(qiáng)柱弱梁”可靠度模型下“強(qiáng)柱弱梁”實(shí)現(xiàn)效果較現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)方法的提升值	41%
5	老化損傷拱剩余壽命評(píng)估準(zhǔn)則的計(jì)算誤差	≤10%
6	復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)估方法下關(guān)于穩(wěn)健可靠度的偏差	≤3.5%
7	類(lèi)雙層橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)下的工程投資節(jié)約值	10%

表2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

比較項(xiàng)目	國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)	本技術(shù)（優(yōu)勢(shì)）
可靠度高效分析方法	高維復(fù)雜失效方程下，傳統(tǒng)一二階矩及改進(jìn)可靠度方法等精度低；抽樣函數(shù)難以科學(xué)確概率的貢獻(xiàn)，在各子空間內(nèi)的重要區(qū)定，現(xiàn)有抽樣方法適用性較差。	基于樣本點(diǎn)相關(guān)性，將高維空間劃分成多個(gè)可視化的子空間；根據(jù)對(duì)失效概率的貢獻(xiàn)，在各子空間內(nèi)的重要區(qū)域內(nèi)抽樣，計(jì)算精度、效率高且穩(wěn)定。
響應(yīng)面擬合	二次多項(xiàng)式函數(shù)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等擬合，存在“過(guò)擬合”或“欠擬合”問(wèn)題，精度較差。	對(duì)樣本點(diǎn)按分布空間的不同進(jìn)行聚類(lèi)，采用多響應(yīng)面進(jìn)行擬合，自適應(yīng)調(diào)整子空間數(shù)量，精度高且穩(wěn)定。
失效模式搜尋技術(shù)	分支約界法，聯(lián)合概率計(jì)算，逐步搜尋失效單元，效率低；重要抽樣模擬法，抽樣效率低。	采用迭代算法求解含驗(yàn)算點(diǎn)的代表性樣本點(diǎn)，對(duì)樣本點(diǎn)直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，快速確定失效單元，效率高。
預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)施工安全控制技術(shù)	未考慮索力偏差、節(jié)點(diǎn)偏差等施工不確定性對(duì)預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)安全性能的影響，容易產(chǎn)生較大安全隱患。	考慮索力偏差、節(jié)點(diǎn)偏差等施工不確定性，提出了基于可靠度的預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)施工安全控制與優(yōu)化技術(shù)，提高了該類(lèi)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量與安全。
裝配式混凝土施工質(zhì)量控制技術(shù)	傳統(tǒng)技術(shù)評(píng)估裝配式混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能時(shí)，沒(méi)有考慮灌漿缺陷位置、數(shù)量等施工質(zhì)量不確定性因素的影響，評(píng)估結(jié)果不夠準(zhǔn)確。	高效率量化灌漿缺陷位置、數(shù)量對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，并通過(guò)合理考慮施工質(zhì)量不確定性，形成了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。
偏壓構(gòu)件承載力 設(shè)計(jì)	固定偏心距思路，可靠指標(biāo)隨設(shè)計(jì)參數(shù)波動(dòng)大,高達(dá)159.1%。	真實(shí)考慮偏心距隨機(jī)性,設(shè)計(jì)可靠性均勻，與目標(biāo)可靠性一致。
類(lèi)雙層橋梁設(shè)計(jì) 技術(shù)	結(jié)合部位單獨(dú)設(shè)一橋墩或?qū)⒅鞫占訉捄芏啵Y(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,景觀效果較差、與總體不協(xié)調(diào)。	考慮偏心距因素，優(yōu)化預(yù)偏心值，在結(jié)合部主墩設(shè)一弧形挑臂，受力明確、造型協(xié)調(diào)、美觀，節(jié)約工程投資約10%。
金屬耗能阻尼器	多利用鋼板剪切、彎曲等形式耗能，占用空間大，耗能裝置需要定期維護(hù)。	利用鋼板拉壓屈服耗能，可嵌入承重構(gòu)件或結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，不影響結(jié)構(gòu)空間；在3.0倍屈服位移循環(huán)加載30次后，阻尼器工作性能仍保持穩(wěn)定。

技術(shù)成熟度：中試階段

知識(shí)產(chǎn)權(quán)：

轉(zhuǎn)化方式：

目前已轉(zhuǎn)入發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)：一種在失效部位設(shè)置芯柱和可更換部件的鋼筋混凝土柱。表中所列的知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果轉(zhuǎn)化方式采用實(shí)施許可、轉(zhuǎn)讓、作價(jià)入股投資或合作開(kāi)發(fā)均可。

市場(chǎng)分析：

1.需求分析

    我國(guó)工程結(jié)構(gòu)規(guī)模宏大，已經(jīng)建造、正在建造和將來(lái)擬建的大型結(jié)構(gòu)較多，如高層建筑、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)等。這類(lèi)結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，建造實(shí)現(xiàn)難度大?，F(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法與建造技術(shù)，較少考慮施工及服役過(guò)程中的不確定性因素與國(guó)家高質(zhì)量建造要求等，導(dǎo)致施工質(zhì)量不高且安全事故時(shí)有發(fā)生，并使得在地震、不當(dāng)維護(hù)等意外情形下工程結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重高于預(yù)期。因此，亟需大型結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)高效方法及計(jì)算程序、高抗震/抗連續(xù)倒塌性能工程結(jié)構(gòu)與施工優(yōu)化、基于3D打印混凝土永久模殼的少支撐建造技術(shù)等實(shí)現(xiàn)上述要求，預(yù)期可降低成本15%以上。

2.效益分析

項(xiàng)目成果已在世界第一高橋北盤(pán)江大橋、國(guó)內(nèi)首座“類(lèi)雙層”大橋湖南長(zhǎng)沙市瀏陽(yáng)河大橋、國(guó)內(nèi)最大跨度整體張拉式鋼索膜結(jié)構(gòu)的岳陽(yáng)三荷機(jī)場(chǎng)航站樓等一大批交通、建筑、市政等基礎(chǔ)設(shè)施中應(yīng)用，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益總計(jì)14147.95萬(wàn)元，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

團(tuán)隊(duì)情況：

團(tuán)隊(duì)成員	蔣友寶（團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人） 王福明、周妍、冷鈺、周浩
項(xiàng)目聯(lián)系人	蔣友寶
電子郵箱	youbaojiang@csust.edu.cn