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科技成果所屬領域（或研究方向）:土木工程

科技成果名稱: 大型結構可靠度優(yōu)化設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構設計是工程結構設計領域的發(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構可靠性設計理論為優(yōu)先發(fā)展領域之一。歐美國家亦將可靠性設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，突破了結構可靠度分析與優(yōu)化設計效率和精度難以兼顧等技術瓶頸，建立了高維隨機變量下大型結構基于多響應面與子空間劃分的結構失效模式解耦搜尋與可靠度高效方法，效率較IASSAR(國際結構安全與可靠性協(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先水平”，為我國工程結構設計領域的技術進步做出了重要貢獻。

u本項目在《Structural Safety》、《建筑結構學報》等國際國內(nèi)權威期刊等上發(fā)表論文30余篇，授權相關國內(nèi)專利1項，軟件著作權5項；獲批“復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)倒塌性能工程結構與施工優(yōu)化技術

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、構件和結構體系，系統(tǒng)開展了基于新型組件的張弦梁結構、混凝土框架與橋梁結構的抗連續(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構施工安全控制與成本優(yōu)化技術，助力此類結構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、止水鋼板穿柱結構方法及裝置、開洞鋼筋混凝土梁承載性能的內(nèi)置型鋼增強等技術，形成了融合設計方法、施工工藝、專利技術為一體的結構高效施工與性能提升成套技術體系，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規(guī)程；

u本項目已在《Structures》、《建筑結構學報》等國際國內(nèi)權威期刊等上發(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、專利技術轉讓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

成果簡介：

u在3D打印混凝土早期本構、構件的可建造性能及3D打印復雜曲面結構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打印混凝土構件的可連續(xù)打印性能的影響，并基于摩爾庫倫本構及生死單元法，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/免支撐復雜曲面結構的建造成型。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《建筑結構學報》國內(nèi)權威期刊等上發(fā)表論文5篇；授權相關國內(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、市政等基礎設施中應用；獲中國產(chǎn)學研合作創(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

結構施工安全控制

圖5中國產(chǎn)學研合作創(chuàng)新成果獎

技術指標：

表1 技術參數(shù)對比

序號	指標名稱	參數(shù)
1	復雜結構可靠性設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	新型張弦梁結構的抗倒塌承載力：傳統(tǒng)張弦梁結構的抗倒塌承載力	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	復雜結構可靠性設計與評估方法下關于穩(wěn)健可靠度的偏差	≤3.5%
7	類雙層橋梁設計技術下的工程投資節(jié)約值	10%

表2 技術優(yōu)勢分析

比較項目	國內(nèi)外同類技術	本技術（優(yōu)勢）
可靠度高效分析方法	高維復雜失效方程下，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。
響應面擬合	二次多項式函數(shù)或神經(jīng)網(wǎng)絡等擬合，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，采用多響應面進行擬合，自適應調(diào)整子空間數(shù)量，精度高且穩(wěn)定。
失效模式搜尋技術	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構分析，快速確定失效單元，效率高。
預應力空間鋼結構施工安全控制技術	未考慮索力偏差、節(jié)點偏差等施工不確定性對預應力空間鋼結構安全性能的影響，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應力空間鋼結構施工安全控制與優(yōu)化技術，提高了該類結構的施工質(zhì)量與安全。
裝配式混凝土施工質(zhì)量控制技術	傳統(tǒng)技術評估裝配式混凝土結構力學性能時，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構力學性能的影響，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構質(zhì)量控制標準，促進了裝配式混凝土結構的推廣應用。
偏壓構件承載力 設計	固定偏心距思路，可靠指標隨設計參數(shù)波動大,高達159.1%。	真實考慮偏心距隨機性,設計可靠性均勻，與目標可靠性一致。
類雙層橋梁設計 技術	結合部位單獨設一橋墩或將主墩加寬很多，結構受力復雜,景觀效果較差、與總體不協(xié)調(diào)。	考慮偏心距因素，優(yōu)化預偏心值，在結合部主墩設一弧形挑臂，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，可嵌入承重構件或結構關鍵部位，不影響結構空間；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。

技術成熟度：中試階段

知識產(chǎn)權：

轉化方式：

目前已轉入發(fā)明專利1項：一種在失效部位設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)權成果轉化方式采用實施許可、轉讓、作價入股投資或合作開發(fā)均可。

市場分析：

1.需求分析

    我國工程結構規(guī)模宏大，已經(jīng)建造、正在建造和將來擬建的大型結構較多，如高層建筑、大跨度橋梁結構等。這類結構體系復雜，建造實現(xiàn)難度大。現(xiàn)有工程結構可靠度設計方法與建造技術，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構破壞嚴重高于預期。因此，亟需大型結構可靠度優(yōu)化設計高效方法及計算程序、高抗震/抗連續(xù)倒塌性能工程結構與施工優(yōu)化、基于3D打印混凝土永久模殼的少支撐建造技術等實現(xiàn)上述要求，預期可降低成本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構的岳陽三荷機場航站樓等一大批交通、建筑、市政等基礎設施中應用，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