科技成果所屬領(lǐng)域(或研究方向):土木工程
科技成果名稱: 大型結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計高效方法與計算程序
成果簡介:
u基于可靠度理論的大型結(jié)構(gòu)設(shè)計是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。國家自科基金委發(fā)展規(guī)劃等多個戰(zhàn)略文件中明確指出結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計理論為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域之一。歐美國家亦將可靠性設(shè)計列為橋梁長期性能研究計劃的重點目標。
u研究團隊提出了失效方程零殘差擬合、降維分解計算可靠度的創(chuàng)新思路,突破了結(jié)構(gòu)可靠度分析與優(yōu)化設(shè)計效率和精度難以兼顧等技術(shù)瓶頸,建立了高維隨機變量下大型結(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(國際結(jié)構(gòu)安全與可靠性協(xié)會)前主席Gerhart I. Schu?ller提出的線抽樣方法提升20倍以上。依托該創(chuàng)新方法的項目被鑒定為“……研究成果總體上達到國際領(lǐng)先水平”,為我國工程結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)進步做出了重要貢獻。
u本項目在《Structural Safety》、《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報》等國際國內(nèi)權(quán)威期刊等上發(fā)表論文30余篇,授權(quán)相關(guān)國內(nèi)專利1項,軟件著作權(quán)5項;獲批“復(fù)雜不確定性下時變可靠度分析方法”等國家重點研發(fā)計劃項目專題、省杰青、國自科及省自科基金項目5項;成果獲湖南省科技進步一等獎1項、湖南省科技進步二等獎2項。
科技成果名稱: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)
成果簡介:
u團隊研發(fā)了基于開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度檢測、止水鋼板穿柱結(jié)構(gòu)方法及裝置、開洞鋼筋混凝土梁承載性能的內(nèi)置型鋼增強等技術(shù),形成了融合設(shè)計方法、施工工藝、專利技術(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本項目已在《Structures》、《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報》等國際國內(nèi)權(quán)威期刊等上發(fā)表論文20余篇;發(fā)表美國專利1項、國內(nèi)發(fā)明專利、實用新型專利7項、專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓1項;發(fā)行國家標準1部、省級標準4部;獲批省級工法1部;獲批“工業(yè)建筑負載下外包鋼筋混凝土加固鋼柱極限承載力研究”等國家重點研發(fā)計劃項目專題和省自科基金項目2項;完成“內(nèi)置型鋼增強開洞鋼筋混凝土梁抗剪承載力研究”等橫向項目10余項。
科技成果名稱: 基于3D打印混凝土永久模殼的少支撐建造技術(shù)
成果簡介:
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展。提出了不同打印路徑對3D打印混凝土構(gòu)件的可連續(xù)打印性能的影響,并基于摩爾庫倫本構(gòu)及生死單元法,利用有限元軟件能夠較為準確的模擬3D打印建造過程;通過3D打印混凝土永久模殼的方式,實現(xiàn)了少/免支撐復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的建造成型。研究團隊已就該項目研究成果與湖南建工集團、中建五局等公司達成戰(zhàn)略合作。
u本項目已在《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報》國內(nèi)權(quán)威期刊等上發(fā)表論文5篇;授權(quán)相關(guān)國內(nèi)發(fā)明專利、實用新型專利4項;獲批“氧化石墨烯改性3D打印混凝土的增韌機理及建造性能研究”等國家和省自科基金項目5項;完成了200余根混凝土試件的3D打印。
以上項目成果已在國內(nèi)首座“類雙層”大橋長沙瀏陽河大橋等國內(nèi)一大批交通、建筑、市政等基礎(chǔ)設(shè)施中應(yīng)用;獲中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果優(yōu)秀獎;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隨機與固定偏心下的可靠指標對比 圖4三荷機場整體張拉式鋼索膜屋蓋
結(jié)構(gòu)施工安全控制
圖5中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎
技術(shù)指標:
表1 技術(shù)參數(shù)對比
序號 |
指標名稱 |
參數(shù) |
1 |
復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計與評估方法的離散性:美國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 |
基于全概率準則的混凝土框架“強柱弱梁”可靠度模型下“強柱弱梁”實現(xiàn)效果較現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計方法的提升值 |
41% |
5 |
老化損傷拱剩余壽命評估準則的計算誤差 |
≤10% |
6 |
復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計與評估方法下關(guān)于穩(wěn)健可靠度的偏差 |
≤3.5% |
7 |
類雙層橋梁設(shè)計技術(shù)下的工程投資節(jié)約值 |
10% |
表2 技術(shù)優(yōu)勢分析
比較項目 |
國內(nèi)外同類技術(shù) |
本技術(shù)(優(yōu)勢) |
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,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。 |
基于樣本點相關(guān)性,將高維空間劃分成多個可視化的子空間;根據(jù)對失效概率的貢獻,在各子空間內(nèi)的重要區(qū)域內(nèi)抽樣,計算精度、效率高且穩(wěn)定。 |
響應(yīng)面擬合 |
二次多項式函數(shù)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等擬合,存在“過擬合”或“欠擬合”問題,精度較差。 |
對樣本點按分布空間的不同進行聚類,采用多響應(yīng)面進行擬合,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算點的代表性樣本點,對樣本點直接進行結(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)點偏差等施工不確定性對預(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)評估裝配式混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能時,沒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,評估結(jié)果不夠準確。 |
高效率量化灌漿缺陷位置、數(shù)量對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,并通過合理考慮施工質(zhì)量不確定性,形成了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制標準,促進了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。 |
偏壓構(gòu)件承載力 設(shè)計 |
固定偏心距思路,可靠指標隨設(shè)計參數(shù)波動大,高達159.1%。 |
真實考慮偏心距隨機性,設(shè)計可靠性均勻,與目標可靠性一致。 |
類雙層橋梁設(shè)計 技術(shù) |
結(jié)合部位單獨設(shè)一橋墩或?qū)⒅鞫占訉捄芏?,結(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。 |
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
知識產(chǎn)權(quán):
序號 |
專利號 |
專利名稱 |
狀態(tài) |
1 |
201710332232.0 |
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 |
授權(quán),已轉(zhuǎn)讓 |
2 |
201910408406 .6 |
一種增強結(jié)構(gòu)抗震和抗倒塌性能的新型預(yù)制裝配梁柱體系 |
授權(quán) |
3 |
發(fā)明專利202010533611.8/實用新型202021078386.5 |
一種剪力墻結(jié)構(gòu) |
實用新型授權(quán) 發(fā)明實質(zhì)審查 |
4 |
201910613066.0 |
一種底部設(shè)置可更換防屈曲耗能鋼板的自復(fù)位混凝土橋墩 |
實質(zhì)審查 |
5 |
201910922631.1 |
一種基于開孔鋼板拉壓屈服的耗能阻尼器 |
發(fā)明專利授權(quán) 美國專利授權(quán) |
6 |
發(fā)明專利201911235206.1/實用新型201922159140.4 |
一種柱端耗能裝置 |
實用新型授權(quán) 發(fā)明實質(zhì)審查 |
7 |
201810592110.X |
一種橫向開合屋蓋結(jié)構(gòu) |
授權(quán) |
8 |
201810592109.7 |
一種折疊帳篷 |
授權(quán) |
9 |
發(fā)明專利202010648656.X/實用新型202021314556.5 |
一種具有高抗連續(xù)倒塌性能的張弦梁結(jié)構(gòu) 及其實現(xiàn)方法 |
實用新型授權(quán) 發(fā)明實質(zhì)審查 |
10 |
發(fā)明專利202010616608.2 /實用新型2020212469938 |
一種用于打印球面的3D打印裝置及打印方法 |
授權(quán) |
11 |
2021101836203 |
一種剛性拉桿瞬時破斷試驗裝置 |
實質(zhì)審查 |
12 |
2021107665491 |
一種弧形梁柱子結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌試驗裝置 |
實質(zhì)審查 |
13 |
2017SR629170 |
隨機偏心距下混凝土偏壓構(gòu)件可靠度與配筋設(shè)計軟件 |
授權(quán) |
14 |
2020SR1178706 |
考慮偏心距隨機特性的雙/單偏壓RC柱可靠度計算程序軟件 |
授權(quán) |
15 |
2019SR0798479 |
考慮柱偏心距隨機特性的RC框架強柱弱梁可靠度計算與設(shè)計軟件 |
授權(quán) |
16 |
2017SR246356 |
基于多響應(yīng)面方法的結(jié)構(gòu)可靠度分析 |
授權(quán) |
17 |
2019SR0613109 |
特大跨橋梁安全性評定系統(tǒng) |
授權(quán) |
18 |
202121447174.4 |
一種浮片法檢測半灌漿套筒灌漿飽滿度的裝置 |
授權(quán) |
19 |
202110136720.0 |
一種3D打印的預(yù)制墻模塊、墻體及其施工方法 |
實質(zhì)審查 |
20 |
201921200198.2 |
一種口字型加載梁靜載試驗荷載分配機構(gòu)及靜載試驗裝置 |
授權(quán) |
21 |
202111611224.2 |
一種止水鋼板穿柱結(jié)構(gòu)及方法 |
實質(zhì)審查 |
22 |
202121916634.3 |
一種含有止水鋼板的地下室外墻及建筑 |
授權(quán) |
23 |
202110499814.4 |
一種用于灌漿套筒的封漿裝置及封漿方法 |
實質(zhì)審查 |
24 |
2017SR629170 |
隨機偏心距下混凝土偏壓構(gòu)件可靠度與配筋設(shè)計軟件 |
授權(quán) |
25 |
2020SR1178706 |
考慮偏心距隨機特性的單/雙偏壓RC柱可靠度計算程序軟件 |
授權(quán) |
26 |
2019SR0798479 |
考慮柱偏心距隨機特性的RC框架強柱弱梁可靠度計算與設(shè)計軟件 |
授權(quán) |
27 |
2017SR246356 |
基于多響應(yīng)面方法的結(jié)構(gòu)可靠度分析 |
授權(quán) |
28 |
2019SR0613109 |
特大跨橋梁安全性評定系統(tǒng) |
授權(quán) |
轉(zhuǎn)化方式:
目前已轉(zhuǎn)入發(fā)明專利1項: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。表中所列的知識產(chǎn)權(quán)成果轉(zhuǎn)化方式采用實施許可、轉(zhuǎn)讓、作價入股投資或合作開發(fā)均可。
市場分析:
1.需求分析
我國工程結(jié)構(gòu)規(guī)模宏大,已經(jīng)建造、正在建造和將來擬建的大型結(jié)構(gòu)較多,如高層建筑、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)等。這類結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜,建造實現(xiàn)難度大?,F(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計方法與建造技術(shù),較少考慮施工及服役過程中的不確定性因素與國家高質(zhì)量建造要求等,導(dǎo)致施工質(zhì)量不高且安全事故時有發(fā)生,并使得在地震、不當維護等意外情形下工程結(jié)構(gòu)破壞嚴重高于預(yù)期。因此,亟需大型結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計高效方法及計算程序、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)等實現(xiàn)上述要求,預(yù)期可降低成本15%以上。
2.效益分析
項目成果已在世界第一高橋北盤江大橋、國內(nèi)首座“類雙層”大橋湖南長沙市瀏陽河大橋、國內(nèi)最大跨度整體張拉式鋼索膜結(jié)構(gòu)的岳陽三荷機場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)濟效益總計14147.95萬元,促進了社會經(jīng)濟發(fā)展。
團隊情況:
團隊成員 |
蔣友寶(團隊負責(zé)人) 王福明、周妍、冷鈺、周浩 |
項目聯(lián)系人 |
蔣友寶 |
電子郵箱 |
youbaojiang@csust.edu.cn |