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获奖项目名称
高性能钢结构损伤演化理论与工程应用
主要完成单位
重庆大学、中南大学、青岛理工大学、北京工业大学、陕西省建筑设计研究院集团有限公司、中交建筑集团有限公司、中青建安建设集团有限公司
主要完成人
白涌滔、柯珂、牟犇、乔崎云、刘卫辉、李小华、刘文超、Julio Florez-Lopez、吕建平、解程、吴成龙、汪钲东、Scarlet K. Montilla、龚清玉、段海洋
一
项目背景
随着土木与建筑基础设施对结构安全性、耐久性及使用寿命要求的不断提高，高性能钢结构在现代土木工程、桥梁建设、航空航天及海洋工程等领域得到了广泛应用。本项目面向我国在役工程钢结构全生命周期内面临服役性能老化的突出问题，聚焦国际学术前沿问题和国家战略需求，以原创性宏观结构损伤力学为理论支撑、以跨尺度结构建模方法为核心、以实现钢结构体系性能调控提升为目标，围绕钢结构局部材料损伤机理与疲劳，新型关键构件研发与性能提升疲劳性能演化机理、损伤力学模型、性能调控提升机制方面的关键难题，着力解决工程钢结构在设计理论、损伤建模以及性能提升方法等方面的重要科学与技术问题。
二
创新成果
提出了钢结构宏观损伤力学本构及建模理论
揭示了钢结构材料的微观疲劳损伤机理，提出了钢结构构件的宏观损伤本构方程，构建了整体钢结构损伤演化建模方法与框架，通过改进Miner线性准则预测高-低周疲劳寿命的离散性问题，提出了非稳态疲劳荷载下大跨钢结构体系的疲劳寿命的损伤因子的时程计算公式（图1）。
（a）钢结构材料微观疲劳损伤机理
（b）钢结构构件宏观损伤本构方程
（c）钢结构损伤演化建模方法
（d）高-低周疲劳损伤因子的时程演化过程
图1 钢结构跨尺度损伤本构与力学建模基础理论
提出了新型钢结构节点与柱脚的损伤控制设计理论
优化了外环形加劲肋新型钢结构梁柱节点的屈服破坏机制，解决了钢结构节点的地震疲劳损伤与脆性断裂问题，该节点应用于日本最高层建筑钢结构（大阪阿倍野大厦，高度300m）；提出了具有震后可恢复机制的钢结构柱脚及其设计理论，分析了内含超高强钢筋与底板锚固对柱脚3%残余变形的影响，为白鹭西塔的设计与建造提供支撑。
（a）三维复杂受力下钢梁柱节点的屈服与断裂过程
（b）具有震后恢复机制的钢框架柱脚设计与试验验证
图2 新型钢结构节点与柱脚的损伤控制设计理论
构建了钢结构体系全寿命周期剩余性能预测方法
分析和发现了长周期地震动对高层建筑、大跨桥梁、海上风电等工程钢结构体系的响应放大效应，分析了高层钢结构框架体系的“侧移性”地震倒塌机理；研发了基于动力应变响应的钢结构体系局部损伤无线识别技术，实现了监测数据和损伤模型之间的交互与更新，提出了局部损伤与震后剩余性能的关联机制和评估方法。
（a）长周期地震动的响应放大效应
（b）长周期地震动下高层钢结构体系的侧移性倒塌机理
（c）全寿命周期内钢结构局部损伤识别与剩余性能评价
图3 钢结构体系的地震损伤演化与全寿命评估方法
探索了未来钢结构力学性能调控提升的前沿理论与技术
验证了激光冲击强化钢结构材料的疲劳性能提升技术路线和工艺参数，分析了激光冲击对钢结构材料的低温疲劳性能影响；提出了基于人工神经网络和启发式学习策略的钢结构疲劳寿命的智能预测方法与设计理论，通过训练神经网络准确预测关键构件疲劳寿命，高效率实现了非稳态疲劳加载下大跨钢结构体系疲劳寿命增强设计。
（a）激光冲击强化钢结构材料的疲劳性能提升方法
（b）物理信息融合的钢结构疲劳损伤智能化设计方法
三
推广应用
围绕以上研究及技术创新，共取得31项授权发明专利，其中国际发明专利2项，国内发明专利32项，在工程结构领域国际期刊上共发表SCI论文122篇，在土木工程学报等国内领域权威期刊发表EI论文34篇，出版学术专著2部，被引超过3000次。相关研究成果获得来自中国、美国、日本、欧洲等国内外权威学者的正面引用与积极评价，成果应用于厦门白鹭西塔、陕西渭南中医院建筑、青岛胶州国际机场、日本大阪阿倍野大厦等多项代表性工程，赋能了我国在结构损伤理论-设计-技术领域自主创新能力和社会经济效益。