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获奖项目名称
螺栓球节点空间网格结构疲劳性能研究与应用
主要完成单位
太原理工大学、浙江东南网架股份有限公司、华兆东南(运城)绿色建筑集成有限公司、山西北斗钢结构实业发展有限公司、江苏蓝华建设有限公司、江苏中闽钢构有限公司、山西大学、山西省安装集团股份有限公司
主要完成人
雷宏刚、周观根、牛正泽、邱斌、王辉、吴海英、杨旭、周子淳、雷萌、雷平飞、黄襄怀、陈伟刚、胡宏亮、董继斌、孟祥武
一
项目背景
我国被誉为“网架结构大国”,螺栓球节点网架由于其“绿色低碳、工厂预制、现场全装配”等独特优点,堪称装配式钢结构建筑的典范。如今的螺栓球节点网架结构已成为最具中国规模的网架结构,在国家“十四五”规划关于建筑业“大力发展装配式建筑”的战略导向下,螺栓球节点网架结构的发展是必然趋势,必将呈现更加广阔的应用前景。当螺栓球节点空间网格结构应用于工业建筑时通常需要设置起重设备,当跨度大于36m时,常规的桥式吊车无能为力,悬挂吊车则应运而生,将其设置在网架结构之上可谓一大发明创造。但随着悬挂吊车吨位、数量以及运行频繁程度的不断升级,悬挂吊车作用下网架结构的疲劳问题也愈加突出。
鉴于此,本项目在雷宏刚教授的4项国家自然科学基金项目的支持下,通过开展长期、系统、大量的理论及试验研究,建立了螺栓球节点空间网格结构的疲劳设计方法及疲劳寿命估算方法,研究成果的主要用途有三:一是为《钢结构设计标准》(GB50017-2017)及《空间网格结构技术规程》(JGJ7-2010)中疲劳条文修订和空白填补提供依据;二是为新建螺栓球节点空间网格结构的抗疲劳设计和施工提供依据;三是为在役螺栓球节点空间网格结构的疲劳寿命评估提供依据。
二
创新成果
项目针对螺栓球节点空间网格结构的疲劳问题,历经25年,千余组试验研究、数值模拟及理论分析,取得创新成果如下:
01
揭示了螺栓球节点中M20,M30,M39和M60高强度螺栓的疲劳破坏机理,建立了具有高置信度的疲劳S-N曲线,提出了疲劳设计方法。
02
建立了悬挂吊车作用下螺栓球节点网架结构疲劳载荷谱,揭示了疲劳载荷谱的影响因素及影响规律,提出了疲劳寿命评估方法。
03
构建了螺栓球节点空间网格结构杆件的腐蚀模型,揭示了腐蚀疲劳劣化机理,提出了腐蚀疲劳设计方法。
图1 网架结构螺栓球节点高强度螺栓及Q235钢疲劳性能试验
图2 螺栓球节点M20/M30/M39/M60高强度螺栓的疲劳S-N曲线
图3 不同腐蚀情况下Q235钢的疲劳S-N曲线
三
推广应用
项目研究成果获得国家授权专利9件,发表学术论文29篇(其中SCI/EI论文16篇),主编或参编标准7部,出版专著1部、教材1部,成功应用于长沙黄花机场飞机维修机库、西安奥体中心游泳跳水馆和大同第二发电厂三期储煤场等百余项工程,经济、社会和环境效益显著,应用前景广阔。项目成果经以岳清瑞院士为组长的专家组评价,认为该成果总体上达到国际先进水平,其中螺栓球节点高强度螺栓的S-N曲线及疲劳设计方法达到国际领先水平。
图4 工程应用