学术前沿 | 走访南京工业大学“工程结构抗震”科研团队

南京工业大学工程结构抗震科研团队主要从事建筑及桥梁结构的抗震与减震控制方向的科研、教学和社会服务工作。研究团队由刘伟庆教授领衔，成员包括王曙光教授、周叮教授、徐秀丽教授、张建东教授、李雪红教授、杜东升教授、李枝军副教授、徐锋副教授、李威威讲师、邓文琴讲师11 名教师成员以及80余名博硕士研究生。团队长期致力于建筑与桥梁结构抗震与减震控制方向的研究与实践，主要包括：建筑及桥梁抗震与减震控制、预制装配式结构体系抗震性能研究、复杂结构非线性分析、新型隔震减震装置研发以及基于BIM平台的桥梁标准化制作及施工控制方法。

▲ 研究团队

南京工业大学工程结构抗震科研团队特别注重基础理论创新与工程实践相结合，近年来先后承担了国家“973” 计划、“863” 计划、科技支撑计划、国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划课题等国家和省部级基础研究课题20余项，承担企业委托科研项目逾50余项。研究成果先后获国家科技进步二等奖、江苏省科技进步一等奖、中国公路学会科技进步一等奖、全国优秀建筑结构设计奖（3项）、全国优秀工程勘察设计行业奖（2项）、江苏省建设科学技术奖（1项）等多个奖项，发表SCI和EI论文80余篇，获授权发明专利10余项，已培养博士、硕士研究生150余名。

2019年11月16日下午，《建筑结构学报》编辑部一行4人在李淑春副主编的带领下走访了南京工业大学工程结构抗震研究团队。

刘伟庆教授代表南京工业大学工程结构抗震研究团队对编辑部的到访表示热烈欢迎，并介绍了团队学科建设、研究项目和研究特色。杜东升教授代表团队介绍了近年来在建筑与桥梁工程结构抗震方向取得的研究进展和成果。

一 建筑抗震与减震控制关键技术、产品研发与工程应用

1 高层建筑组合隔震的结构体系及设计方法

课题组提出了适合高层建筑的“叠层橡胶支座+弹性滑移支座+消能装置”的组合隔震体系，该体系能充分发挥不同性能、不同材料的隔震作用，最大限度的降低高层建筑地震作用，又能限制隔震层在大震下的位移，确保上部结构的稳定性。该体系既解决了高层建筑隔震设计中的难题，又提高了隔震效果，同时降低了工程造价。

针对该体系提出隔震支座面压控制的方法，该方法同时以竖向面压和水平剪切变形共同控制隔震支座性态，更具合理性；提出基于物理的随机地震动模型，进行高层隔震结构随机地震反应与可靠度分析；提出高层隔震结构的加速度反应谱和地震波修正方法，为高阻尼、长周期结构动力分析提供依据；提出高层建筑组合隔震结构设计方法，成果已纳入《建筑抗震设计规范》和《江苏省房屋建筑工程抗震设防审查细则》。

2 大跨隔震结构在多维多点地震动激励下的性能

选择具有明显强度非平稳特性且场地类别资料完整的地震波20850条，以模型累积能量与记录累积能量的最佳逼近为目标，使用遗传算法识别出模型参数，给出了具有平均意义的模型参数取值。对强震记录进行地震动幅值特性研究，统计了3475组三维地震波的峰值加速度，认为竖向地震波峰值加速度与水平方向较大地震波峰值加速度的比值符合广义极值分布。将初始反应谱与目标反应谱间的差距表达为差异谱，使用随机谱表现法生成了若干条完全非平稳人工地震波，其平均反应谱与目标反应谱相吻合。

运用概率密度演化理论进行大跨隔震结构随机响应分析，研究多维地震作用下，不同场地条件及内外因随机性对结构响应的影响规律。

进行多维振动台试验，研究发现结构水平变形集中在隔震层，上部结构近乎平动，网架加速度响应只有非隔震的70%；三向地震输入时，结构水平振动反应和网架层柱底应力均大于二向输入。提出了大跨隔震结构的抗震设计方法及基于可靠度的性能评估体系。

3 基于N-R设计理论的减震结构阻尼器优化布置

在笠井和彦的N-R方法基础上，提出一种新的减震设计方法，该方法仅对结构模型进行静力分析，即可获得阻尼器的最佳布置位置以及附加阻尼比，不需要进行复杂动力分析。

4 考虑土-结构相互作用的高层减震结构灾变机理

基于薄层法理论建立基础动力阻抗函数数据库，利用Chebyshev复多项式发展高精度、高效率、与频率无关且物理意义明确的集总参数模型。在此基础上，建立高层结构考虑SSI效应的力学模型。研究土-减震结构相互作用振动台试验相似律计算方法，消除动力边界效应影响，完成考虑SSI效应的高层减震结构振动台试验，研究了土体性质、土层分布、基础型式、阻尼装置等参数对高层减震结构SSI效应的影响。

基于理论和试验研究，建立基础隔震结构、消能减震结构考虑土与结构相互作用的周期及阻尼计算公式，提出了隔震结构、减震结构考虑SSI效应的简化分析方法和设计建议。

5 建筑高性能减震产品研发

课题组研发了高能效比的黏滞阻尼器，实现了黏滞阻尼器初始压力设置，解决了阻尼器小位移下的空行程问题。通过密封材料和密封结构的设计，实现了阻尼器疲劳性能的可设计性，满足阻尼器在长周期长持时地震动情况下的适应性。

6 装配式混凝土结构的理论及技术研究

针对装配式混凝土结构的长期性能及全寿命设计理论进行了研究，分析了荷载与环境耦合作用下PC构件与连接性能演化、节点与结合界面性能演变对PC结构整体性能的影响，并研究了基于长期性能的PC结构体系设计准则和寿命预测，以及基于概率方法的PC结构全寿命周期设计理论。

7 工程实践项目

团队开展了多项复杂结构的隔震设计、减震设计、动力弹塑性分析以及振动台试验。其中包括昆明长水国际机场航站楼大跨隔震设计，该项目于2014年获得第八届全国优秀建筑结构设计奖一等奖，同年获得第十二届中国土木工程詹天佑奖；宿迁海关业务技术综合楼高层隔震设计，该项目于2011年获得全国优秀建筑结构设计奖一等奖；宿迁苏豪银座——高层层间隔震设计，该项目于2013年获得全国优秀建筑结构设计奖一等奖；苏州西交利物浦大学行政楼复杂异形建筑动力分析与振动台试验；无锡苏宁广场超高层建筑弹塑性静力和动力分析；南京德基广场二期结构超高层建筑弹塑性动力分析。

二 桥梁减隔震关键技术、产品研发与工程应用

1 减隔震桥梁地震响应分析理论研究

针对减隔震桥梁存在的长周期固有特性、桩土作用敏感、减震装置受力复杂的难题，提出了长周期地震动的界定方法，推导出考虑桩土相互作用的大型桥梁群桩基础集总参数模型，揭示了大震作用下减震装置全过程受力机理，建立了非一致长周期地震动激励下桥梁响应分析理论。课题组参与多项国家及省部科研项目，部分成果应用于杭州湾大桥、青岛海湾大桥、江苏省宿新高速公路、山西省霍州永和关高速公路、四川省绵茂公路、牙买加西摩兰大桥等多个重大工程项目。

1）长周期地震动的界定方法研究。减隔震桥梁通常都是长周期结构，在长周期地震动作用下可能产生强烈的地震响应。基于美国、欧洲及中国强震记录数据库的120万条地震记录，研究了场地条件、传播距离、地震震级以及震源等四个主要因素与长周期地震动频谱参数之间的关系，提出了频谱参数衰减规律的经验公式，揭示了地震动长周期特性产生的物理机制。在此基础上，定义了与地震动周期特性相关性和敏感性均较强的新参数βl为周期平方加权平均值，并提出具体的评价标准：βl＞0.4的地震动为长周期地震动，βl＜0.2的地震动为常规地震动。该指标既能表征地震动高低频成分的比重，也可表征地震动对长周期结构的影响。

2）考虑桩土相互作用的大型群桩基础集总参数模型。桩土相互作用对大型桥梁的地震响应有着直接和重要的影响。研究不同场地类别、不同基础参数对桩-土耦合动力阻抗的影响，求解了出分层地基土中桩基础的阻抗函数；建立了便于工程应用的阻抗函数数据库。基于Chebyshev复多项分式，提出与频率无关的基础阻抗函数集总参数模型，模型可以回归到弹簧-质量-阻尼物理模型，实现桩-土与上部结构整个系统的有限元动力学分析，得到了结构的时域响应。在显著提高分析结果合理性的前提下，大幅降低考虑桩土相互作用的大跨缆索桥动力响应的分析难度，大大提升计算效率。

3）减震支座受力全过程力学模型。在大震作用下，混凝土减隔震桥梁的墩柱可能发生大变形，使减震支座处于倾斜、转动等非理想工作状态，导致其恢复力模型发生劣变，影响减隔震性能发挥。课题组针对减震支座非理想工作状态进行理论及试验研究，建立能反映支座全过程受力状态的力学模型。墩柱大变形也将导致板式橡胶支座卡压和脱空，产生严重的偏心受压，从而影响支座力学性能。通过引入偏角影响系数、等效摩擦系数等参数，准确模拟了支座滑动效应，为桥梁地震反应精确分析提供理论支撑。

4）非一致长周期地震动激励下桥梁响应分析方法。一致激励不能反映地震动传播的实际情况，长大减隔震桥梁将会受行波效应、部分相干效应、局部场地效应的影响。建立了多点激励下减隔震桥梁结构的基本运动方程，分析了质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵的选取原则，提出了长周期地震动多点激励下减隔震桥梁地震反应分析状态向量法，根据离散后的状态方程求解桥梁地震响应。并在空间变化随机地震动场模拟的基础上，提出了适合大型减隔震桥梁地震反应分析使用的平稳随机地震动场功率谱模型；研究了随机地震动场多点激励下减隔震桥梁地震反应分析方法，得到了结构随机响应量的各阶谱矩，进而定量评估了减隔震桥梁地震反应。

2 满足多层次设防目标的减隔震桥梁设计方法研究

针对现行规范缺乏大跨、高墩桥梁等复杂桥梁结构以及防落梁装置等构件的系统抗震设计方法，课题组提出了基于可恢复性的大跨缆索桥及高墩桥梁抗震构造设计方法，建立了基于多层次设防目标的减隔震混凝土桥梁抗震设计理论，并研究了准减隔震体系桥梁的防落梁系统设计方法，开发出了可视化混凝土梁式桥抗震防落梁系统设计软件。部分成果已应用于宿新高速公路、昆山快速化改造工程等多项工程。

1）基于可恢复性的大跨缆索桥及高墩桥梁抗震构造设计方法。针对大跨、高墩桥梁桥墩（塔）等最重要抗震构件，构建了新型板-梁-柱式空心薄壁墩柱体系，由钢梁与预制装配式混凝土板组成次结构，通过次结构塑性变形耗能降低整体结构的地震响应，实现了多级设防的性能目标；并通过可置换子结构构造设计，实现了桥梁结构地震损伤后的可恢复性。同时，通过试验研究和数值分析，验证了该体系构造设计的有效性及优良的多级抗震性能。

2）基于多层次设防目标的减隔震混凝土桥梁抗震设计方法。国内外桥梁设计规范对减隔震桥梁在大震作用下的失效模式和性态控制目标规定各不相同，特别是对减隔震连续梁桥墩柱延性控制水平的研究很不完善。课题组根据地震作用下减隔震桥梁墩柱出现轻微损伤、可修复损伤、重大损伤但不倒塌等三种设防目标，以桥墩塑性行为和支座性能劣化规律为切入点，基于能量平衡原理，提出了减隔震桥梁系统的能量破坏准则；根据桥墩和支座的耗能能力比值，确定了隔震支座的耗能需求，进而确定了支座的设计参数，从而实现了减隔震桥梁的性能化设计。

3）准减隔震体系桥梁的防落梁系统设计方法。准减隔震桥梁的防落梁系统，既要满足板式橡胶支座充分滑动的需求，又要防止落梁发生，不能套用既有设计方法。课题组分别从纵横向防落梁的多重需求出发，建立了可考虑桥梁横向两阶振型的力学模型，提出横向挡块设计参数简化计算方法，实现了挡块设计从定性到定量的跨越；基于波动理论的直杆共轴碰撞模型和接触单元法，提出了桥梁纵横向等效刚体碰撞模型及主要参数的计算方法；考虑准减隔震体系中板式橡胶支座滑动效应、结构碰撞效应，及上部结构和支座的支承稳定性和动态稳定性的需求，提出了板式橡胶支座桥梁主梁搁置长度的计算方法；并开发了可视化混凝土梁式桥抗震防落梁系统设计软件。

3 满足多重性能需求的桥梁协同减隔震体系研究

针对减轻桥梁地震灾害的迫切需求，课题组分别围绕大跨缆索桥、中小跨径混凝土梁桥、大跨混凝土连续梁桥以及高墩混凝土连续梁桥四类典型桥梁形式，提出了满足多重性能需求的桥梁协同减隔震体系，并通过系列振动台试验和风洞试验，验证了协同减隔震体系的合理性与有效性。部分成果已应用于杭州湾跨海大桥、青岛海湾大桥、江苏省宿新高速公路、昆山快速化改造工程、山西省霍州至永和关高速公路、四川省绵茂公路、牙买加西摩兰大桥等多项工程。

1）大跨缆索桥的协同减震体系。对于大跨缆索桥，纵向在辅助墩或过渡墩处增设黏滞阻尼器，与桥塔处阻尼器共同作用提高结构耗能能力；横向在主塔、过渡墩、辅助墩设置熔断式抗风支座和减震耗能装置，当超强地震发生时，横向抗风支座剪断，横向减震装置开始耗能，以此形成双向减震体系，协同控制大跨缆索桥在地震、强风多重灾害作用下纵横向振动反应。课题组完成了1:100缩尺比例的大跨斜拉桥全桥气弹模型全方位风偏角风洞试验，首次获得了减震控制装置对风振响应影响的试验结果，研究表明纵向阻尼器可间接控制主梁风致竖向弯曲振动，验证了协同减震体系风致振动控制的有效性，为设计可综合防御地震、大风多重自然灾害的减震体系提供技术支持。

2）中小跨径混凝土梁桥的准减隔震体系。对量大面广的中小跨径混凝土梁桥，提出“板式橡胶支座+防落梁系统”的准减隔震体系，替代价格较高的铅芯橡胶支座减隔震体系。完成了板式橡胶支座准隔震桥梁和铅芯橡胶支座减隔震桥梁的振动台对比试验，再现了板式橡胶支座滑动、支座边缘与主梁卡压和脱空、支座不均匀受压引起结构扭转等多种地震响应及复杂受力状态，证实了一般板式橡胶支座滑动隔震的随机性及复杂性，验证了经济合理的准减隔震体系同样具有优越的减隔震性能。在试验成果的基础上，提出了改进板式橡胶支座隔震效率和稳定性的单面滑动构造措施，实现支座滑动范围可控，与防落梁系统形成二级设防机制，提升了防落梁的安全性。

3）大跨混凝土连续梁桥的组合减隔震体系。针对大跨混凝土连续梁桥，提出了具有多水准抗震设防功能的“抗震支座+粘滞阻尼器+大型锚栓+挡块”的组合减隔震体系：E1水准地震作用下由抗震支座、大型锚栓共同抵抗横向地震，抗震支座、粘滞阻尼器抵抗纵向地震；E2水准地震作用下由抗震支座、大型锚栓、挡块共同抵抗横向地震，抗震支座、粘滞阻尼器和大型锚栓共同抵抗纵向地震。同时，课题组完成了大跨混凝土连续梁桥组合减隔震体系的振动台试验。结果表明，组合减隔震体系在中震、大震激励下，结构的阻尼大大增加，主梁的加速度反应、位移反应减小，固定墩的墩底内力大幅降低，有利于连续梁桥整体协同受力。

4）高墩混凝土连续梁桥的局部减隔震体系。针对高墩连续梁桥，提出由“隔震支座+约束支座”联合形成上下部结构约束系统的局部减隔震体系。上部结构地震效应由所有墩柱共同承担，可大大降低约束支座下墩柱的地震作用；隔震支座对高墩顶端的弹性约束，可降低高墩的地震响应；隔震支座的低刚度可降低约束温度应力；约束支座可提供桥梁正常运营过程中的刚度需求。

4 研发高效环保的新型减隔震系列产品

研发超大吨位多向耗能装置以及单向减震支座、多级耗能抗震挡块、耗能型防落梁装置等系列产品。

针对多向耗能高性能阻尼器，进行了黏滞材料物理、化学和动态力学性能试验，对装置的抗撞击、耗能性能进行了系列试验研究，验证了耗能装置优越的性能。该装置具有构造简单、布设方便、吨位调节范围大、抗冲击性能强、缓冲性能稳定、减震效果显著等特点。多向耗能高性能阻尼器用于大跨桥梁，可同时满足横桥向和纵桥向的抗震需求；用于高铁桥梁，可抵抗盆式支座破坏瞬间较大的冲击力，控制桥梁结构振动及轨道的位移量，保证列车的行车安全性，同时亦有耗能作用，减小桥梁的地震响应。

5 基于模数化的中等跨径钢桥标准化建造技术研究

经过多年的潜心研究，课题组攻克了中等跨径钢桥基于模数化的标准化设计体系、快速化建模技术、规范化加工制造和智能化施工控制等关键技术，建立了钢桥设计、制造与施工一体化成套技术，有利于实现从设计阶段向加工制造及现场安装阶段无缝化衔接。创建了基于模块组合理念的标准图集，编制了标准化设计、制造和施工的系列技术指南，并实现了工程应用。

1）研发了通用性强、组合形式多、适用范围广的模块化组合结构体系。首次提出了“桥宽变化改横（挑）梁，车道不足放钢箱（加主梁），跨径改变调节段”的模块化设计思路，通过调用不同模数或增加部件、部品，可完成不同桥宽和跨径需求的桥梁设计。基于已有的钢桥基本部件形式和构造细节，创新性地将桥梁结构划分为部件-部品-模块-节段多个层次体系，通过模数配置、组合策略和设计理念的创新，可实现不同构造要求、不同桥梁规模的多元化组合，极大地拓展了标准化设计的深度和广度。模块化设计方法被交通部《公路常规跨径桥梁建造技术指南》采纳。

2）建立了中等跨径钢桥的部件、部品族库，提出了参数化快速建模方法。针对模数化设计的钢桥的各类组成部件，依次建立部件族、标准化部品族、截面部品族和模块族、节段族，构建了多层次系列标准部件部品库，填补了Revit和CATIA三维BIM建模软件的中等跨径钢桥标准构件库的空白。结合中等跨径钢桥标准化部品的关键设计参数和部品之间的模块化组合方式，对标准化部品进行编码，并根据纵、横向组合要求确定组合编码，建立了完整、系统的标准化编码体系，填补了中等跨径钢桥编码体系的空白。采用主要参数加辅助参数的分层参数定义方法，对基本部件进行参数化分析，确定了参数之间的约束关系，完成了构造细节的参数设计，通过添加和调整参数，实现了参数控制最优化，提出了中等跨径钢桥上部结构参数化快速建模方法。

3）提出了基于BIM平台的标准化制作及施工控制方法。以各组成部品单元为划分原则，确立了各单元件的标准化加工制作流程、工艺要点及部品的组装方案；建立了中等跨径钢桥总装胎架的设计方案，制定了针对中等跨径钢桥标准化节段的总装工艺流程，实现了模块化设计方案的标准化制造。对中等跨径钢桥建造过程进行工作分解，建立了钢桥的工程项目管理标准体系，提出了桥梁施工过程仿真及进度控制方法，实现了中等跨径钢桥施工过程的智能化控制。

6 桥梁全寿命期信息化管理平台开发

自主开发协同参与各方的管理应用平台，包括模型与图纸管理、施工进度管理、施工质量管理、安全管理、环保检查管理等，消除商业软件功能泛化的局限性，保障信息安全。平台以模型为中心的数据采集、传输、管理机制，减少了信息传输错误，提高了项目运行效率。

南京工业大学土木工程学院建有江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室和工程结构抗火实验室。装配有结构抗震性能振动台试验研究系统、拟静力试验系统、结构多功能加载设备MUST系统、工程抗火结构试验研究系统等仪器设备。

学术交流结束后，王曙光院长、王璐副院长以及实验室主任万里带领编辑部一行参观了江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室和工程结构抗火实验室，详细介绍了各种先进的仪器设备以及正在进行的科研项目。

通过本次交流活动，增进了《建筑结构学报》编辑团队和南京工业大学工程结构抗震研究团队的相互了解，双方建立了友谊，期待今后有更多的交流合作。该活动得到了研究团队的大力支持，特别感谢刘伟庆教授、王曙光教授的周到安排，在此《建筑结构学报》编辑部全体工作人员深表谢意！