学术前沿 | 走访南京工业大学“新材料结构”科研团队

为深入了解科研动态，加强与知名科研团队的合作，2019年11月16日下午，《建筑结构学报》编辑部一行四人走访了南京工业大学“新材料结构”团队。

交流活动前，方海教授和杨会峰教授带领编辑部一行参观了复合材料结构实验室和现代木结构实验室，详细介绍了各种仪器设备以及正在进行的研究。

会上，刘伟庆教授首先对编辑部的到访表示热烈欢迎。刘伟庆教授团队主要成员方海教授和王璐教授向编辑部一行分别介绍了复合材料结构和现代木结构的工作进展及研究成果。

▲ 刘伟庆教授

南京工业大学“新材料结构”科研团队由刘伟庆教授领衔，主要从事复合材料结构和现代木结构两个方向研究。

一 复合材料结构方向

复合材料结构方向主要依托于南京工业大学先进复合材料结构研究中心，近二十年来一直致力于将先进复合材料推广应用于工程结构领域，开辟了许多新的应用方向，并针对应用中的难题组织攻关，经济、科学、合理地充分发挥新材料轻质高强耐久的性能，从而满足工程结构的受力与功能需求，在复合材料结构产品研发及其应用基础研究方面全国独树一帜。

复合材料结构方向现有教师成员10人，学术带头人为刘伟庆教授，骨干成员方海教授、王俊教授、齐玉军教授、万里副教授、方园副研究员、霍瑞丽副教授、吴鹏讲师、祝露讲师、韩娟工程师，技术工人3名，博硕士研究生50余人。

复合材料结构研究团队在纤维增强复合材料的结构体系创新与工业化成型工艺，复合材料结构的静力、疲劳、蠕变机理、优化设计与连接技术，复合材料结构耐候性及其提升关键技术，复合材料结构的冲击吸能机理与桥梁防撞应用，复合材料结构关键技术集成与重大工程应用方面进行了研究，取得了突破性成果，具体如下：

1 纤维增强复合材料的结构体系创新与工业化成型工艺

1）构件形式创新。纤维增强复合材料因其轻质高强、可设计性和高耐久性在基础设施领域逐步得到关注与应用，通过结构体系创新，可部分替代钢和混凝土制造各类结构构件，满足建筑、桥梁、海洋等工程结构的强度、刚度及使用功能需求。工程中常采用复合材料拉挤型材，但其以纵向纤维为主，极易发生劈裂破坏，承载力较低。夹芯结构作为复合材料结构另一种重要形式，在制造与服役过程中易发生面层与芯材界面剥离破坏，严重制约其轻质高强特性的发挥。课题组经过10多年技术攻关，发明了格构增强夹芯复合材料、拉挤成型夹芯复合材料等新型结构形式，制备出系列复合材料梁、板、柱及实体构件，并根据实际工程需要，研发、制造出各类创新组合构件，解决了承载力低及界面剥离问题，满足了实际工程需求，研发工作已授权系列国家发明专利十余项。

2）大型/异型构件制造工艺。首次将真空导入工艺引入超大异形构件的成型制造，攻克了树脂浸渍、流动过程的精准控制和超大实体构件路径及长距离注胶关键技术，一次可成型直径4m、长12m的超大/异型实体构件（国际最大单体），建立了工业化生产线和产品质量监控/检验标准。成功完成了佛手湖玻璃钢宅大尺寸楼板、超大尺寸防撞系统等40余项工程复合材料夹芯构件的制造；基于拉挤工艺，攻克了速生木夹芯的复合材料构件连续化制造工艺关键技术。

2 复合材料结构的静力、疲劳、蠕变机理、优化设计与连接技术

1）静动力性能与连接技术。通过静动力试验及数值模拟，揭示了复合材料结构的芯材、腹板及面层相互作用空间格构增强机理，推导了构件受弯、剪、压承载力与变形计算公式，分析了其界面机理与蠕变性能；设计并研发若干种复合材料夹层板平接与T型连接节点；建立了基于目标函数控制的优化设计理论；建立了疲劳累积损伤模型，并依据模型进行了疲劳寿命预测和损伤评价。在Compos.Part A-Appl. S等著名期刊上发表SCI论文30余篇。

2）复合材料结构优化设计方法。采用图解法分析不同参数对复合材料夹芯构件破坏模式影响，实现了多种破坏同时发生的最优化结构设计；建立了格构腹板增强复合材料夹层结构的挠度及其极限承载力计算方法；基于目标函数控制最优化设计方法，实现构件的最优化设计。

3  复合材料结构耐候性及其提升关键技术

针对复合材料结构大多处于恶劣环境中，研究了其在氯离子腐蚀、干湿交替、紫外线照射和温度场中的劣化机理，建立了寿命预测模型，提出了耐久性提升关键技术。

4  复合材料结构的冲击吸能机理与桥梁防撞应用研究

课题组研究了泡沫单体、腹板及面层相互约束空间格构增强机理和冲击吸能机理，建立了冲击吸能计算公式。较传统无格构泡沫夹芯结构，其承载能力提高15倍以上，吸能能力提高20倍以上。

针对大型桥梁防船撞系统高抗力、高耗能的实际需求，研发了大型桥梁复合材料防撞系统，形成了系列产品。通过船-桥和船-防撞系统-桥系列碰撞试验，建立了船桥碰撞动力学模型，提出了船-防撞系统-桥碰撞精细化数值模拟方法、船撞力简化计算公式及防撞系统设计理论。较传统钢套箱防撞系统，其消能能力提高1.5—2.5倍，使用寿命提高2—3倍，全寿命周期造价仅约1/2，且具有船-桥双保护的显著优势。

5 复合材料结构关键技术集成与重大工程应用

1）研发了复合材料道面垫板、楼面板与桥面板。道面垫板可在恶劣场地上快速拼装临时道路与场地，已在军队、石油等领域应用（南京人防演习、中石油管道局、空军野战阵地等，2010军队科技进步二等奖）。复材桥面板于2019年成功应用于中国第一跨度1700m的悬索桥，即武汉杨泗港长江大桥的上层桥面人行道板，具有耐久、美观、轻质的显著优点，提升了主缆安全系数，共8000m²，约9000片，为目前国内外复材桥面板单项工程最大用量。

2）发明了复合材料板桩、管桩与光伏漂浮系统。充分发挥了复合材料耐久、美观的显著优点，建成了创新性强的示范项目。

3）首创复合材料防船撞系统。课题组承担了平潭海峡公铁两用大桥等30余项大型桥梁船撞力标准和防撞专题，完成了南京长江大桥等200余项大型桥梁复合材料防撞设计，建成了鹦鹉洲长江大桥、润扬长江大桥等40余项重大防撞工程，有力保障了船桥安全运用。

6 在复合材料结构研究方面取得的成果

复合材料结构研究团队在基础研究方面，瞄准国际学术前沿，在复合材料结构增强型界面、疲劳蠕变耐候性能、冲击吸能机理等基础研究方面取得了突破，2012年获批国家自然科学基金重点项目“新型纤维增强结构复合材料的体系创新与关键基础理论”，还承担了包括15项国家自然科学基金项目在内的50余项科研课题，发表300余篇学术论文（高水平SCI论文70余篇），得到了国内外学术同行的高度认可。

研究团队在技术创新方面，瞄准国家重大工程需求，开展了基础设施领域复材结构的创新应用研究，发明了复合材料道面板、桥面板、防撞系统等系列产品，获授权1项国际专利、40余项国家发明专利，在武汉杨泗港长江大桥、平潭海峡公铁大桥等重大工程中获得了大量应用，基础研究成果成功走向规模化应用，打通了”基础研究、产品研发、工程应用”之间的路径，推动了这一领域学术研究和产业的协同高质量发展，研究成果获江苏省科技进步一等奖（2014）、教育部科技进步二等奖（2016）、中铁总公司科技进步一等奖（2014）等省部级奖励5项。

研究团队在平台建设方面，建成了专门的复合材料结构实验室，是美国NSF批准的 77 个工业界与高校协同创新中心第 5 个海外分中心，获批了江苏省绿色高性能材料与结构工程实验室，并带出了一批优秀科研队伍成长。

二 现代木结构方向

现代木结构方向主要依托于南京工业大学现代木结构研究中心，研究中心是国内成立最早的现代木结构研究机构之一，也是目前最完整和最大的现代木结构研究团队。研究中心拥有专门的木结构实验室，长期从事木结构科研攻关、技术研发、标准编制、推广应用和设计咨询与社会服务等工作，培养了一大批木结构教学、科研和工程技术人才。目前，在读硕士和博士研究生人数80余名。南京工业大学现代木结构研究中心为我国现代木结构的推广应用提供了有力支撑。

现代木结构方向现有教师成员9人，学术带头人为刘伟庆教授，骨干成员陆伟东教授、杨会峰教授、岳孔副研究员、王璐教授、徐德良副教授、程小武副教授、孙小鸾讲师、汤丽娟博士后，其中教授4名、副教授3名；专职技术人员4名；博士生7名、硕士生72名。

团队在木结构增强技术、创新型连接技术、木结构耐久性及提升技术、新型木与木混合结构体系、木结构抗震防火等防灾技术等方面开展了大量的创新性工作，促进了我国木结构科学研究和教学工作的发展、推动了现代木结构在国内的推广应用，具体如下：

1 现代木结构构件系列增强技术

针对胶合木物理力学特性，建立了胶合木梁在不同胶结界面和长期荷载作用下的弹性解，提出了求解构件内应力和变形的计算方法，为增强型构件的精细化分析奠定了理论基础。

基于多高层、大跨木结构“高承载、低变形”的双控需求，研发了钢筋/FRP筋植入、FRP 平铺及竖嵌、内置和体外预应力等系列增强技术，摸清了木-胶-增强材料界面粘结剪应力和正应力的分布规律，揭示了增强机理；基于材料轴向刚度比、木材拉压强度比和增强材料配置方式等参数分析，建立了多参数通用计算模型、破坏模式判定方法和统一计算理论。解决了普通木构件承载力低、变形大的技术难题，构件承载力可提升50%~130%，刚度可提升20%~40%，实现了受力性能提升幅度的可控设计。相关成果形成国家标准《胶合木构件增强技术方法》报批稿。

针对木材横纹抗压性能较弱的技术问题，采用自攻螺钉对木构件横纹方向进行增强，研究了自攻螺钉增强木构件横纹承压性能，分析了应力分布规律和破坏模式、揭示了破坏机理，提出了优化设计建议。结果表明，通过自攻螺钉增强，木材横纹承压强度和等效横纹弹性模量分别提高62.5%和52.0%。

2 现代木结构创新型连接技术

研发了自攻螺钉增强大直径螺栓连接技术，建立了力学计算模型，提出了设计方法，解决了普通螺栓连接横向易劈裂、端距大等技术难题。

基于多高层梁柱结构和大跨木结构“隐蔽连接、高承载、大延性”的需求，研发了植筋连接和植钢板连接技术，建立了考虑位置函数的胶结连接界面黏结应力-滑移模型，揭示了胶结锚固机理；针对植筋/植钢板与耗能连接件组成的混合连接节点，提出了组件法计算模型和全过程分析方法。研究结果表明，植钢板连接接近刚接水平，承载力达到普通螺栓连接的 2~3倍。该项目研究实现了现代木结构节点连接“受力可靠、延性好、加工便捷”的目标。

3 木结构耐久性、耐火性及提升技术

课题组推导了胶合木构件的二维非线性热传导控制方程，建立了胶合木构件二维热响应时空分布模型及大断面胶合木构件高温下木材力学性能指标，提出了基于性能的木材防火控制技术和节点连接防火设计方法；通过引入高化学键键能以提高热稳定性，研发了渗透性木材阻燃剂（RT₁），实现了木材燃烧性能由易燃级到难燃级的跨越。采用长效低毒树脂主剂与高效杀菌硼类助剂复配技术，研发了高抗流失性木材防腐剂（ULD₁），实现了木材耐腐性由不耐腐到强耐腐的提升。提出了内嵌FRP、钢筋等木构件蠕变控制技术，建立了蠕变预测模型。该项目研究显著提升了现代木结构耐久性和防灾能力。

4 新型木-混凝土组合梁

针对传统木-混凝土组合梁很难实现完全的装配化施工问题，提出系列适用于现场装配化安装的木-混凝土组合梁界面连接技术，包括采用预埋钢板件连接技术、自攻螺钉连接技术、梁顶开槽混合连接技术等。实现了工厂化加工和装配化安装，极大提高了木-混凝土组合梁以及多高层木结构楼屋面体系的施工效率，节约了工期。同时，其受力性能与现浇混凝土组合梁相当。

5 木结构体系研发及抗震技术

研发了木夹板剪力墙、木壳屈曲约束支撑等新型抗侧力构件，提出了木框架-夹板剪力墙和木框架-屈曲约束支撑等新型现代木结构抗侧力体系。

建立了底框-木混合结构在不同刚度比下的简化抗震设计方法；提出了多高层木结构阻尼比和层间位移角限值等设计指标，并纳入国家标准GB/T 51226《多高层木结构建筑技术标准》和GB/T 51223《装配式木结构建筑技术标准》。

此外，现代木结构方向还创建了大断面/异型胶合木构件工业化制造工艺，研究了木材含水率、改性处理、制造环境及粘结匹配性等因素对制造质量的影响规律，揭示了胶合木构件界面粘结作用机理及强度演化规律，解决了多因素耦合制造过程中质量控制的难题。

通过40余项工程示范，实现了现代木结构技术在国内多个领域的首次应用，推动了木结构由低层住宅向大跨、多高层结构领域的重大跨越。

6 在现代木结构研究方面取得的成果

近年来，现代木结构研究团队在木结构领域连续获得国家级和省部级科研项目资助，承担了国内木竹结构领域唯一的国家重点研发计划项目（绿色生态木竹结构体系研究与示范应用2017YFC0703500）；主持国家自然科学基金项目10余项，为国内木结构领域获资助数量最多的团队；主持省部级科研项目30余项；发表SCI、EI等高水平论文150余篇；授权发明专利50余件；主编国家全文强制性规范（《木结构通用规范》）1部、国家标准3部，参编国家标准10余部；主编地方标准6部；依托现代木结构技术力量，获批首批国家装配式建筑产业基地。2017年，研究成果先后获得江苏省科学技术奖一等奖和华夏建设科学技术奖二等奖。

现代木结构研究团队适应国家绿色建筑、节能减排和建筑工业化重大需求，针对工程关键技术难题开展技术攻关，成果应用于现代木结构工程40余项。其中，山东滨州飞虹桥建成时为世界最大跨度木拱桥，贵州榕江游泳馆为国内最大木结构游泳馆，江苏省第十届园艺博览会主展馆为国内单层最高木结构建筑，常州市淹城初级中学体育馆为国内首座全木结构体育馆，山东烟台鼎驰木业办公楼为国内最高木结构建筑。另外，研究成果应用的工程项目还包括苏州胥口镇胥虹桥、江苏省绿色建筑博览园主展馆、苏州香山工坊技艺展示馆、南京六合滁河景观木桥、南京佛手湖国际建筑艺术展水榭、江苏省绿色建筑博览园人行木桥、镇江句容山门下慈悲喜舍等。取得了显著的经济效益、社会效益和环保效益。

三 试验平台建设

南京工业大学新材料结构科研团队建有复合材料结构实验室和现代木结构实验室。

复合材料结构实验室拥有先进材料万能试验机、MTS疲劳试验机以及紫外、盐雾、差示扫描热量仪等多台理化测试设备，还拥有真空导入成型设备、RTM注射机、拉挤机、缠绕机等成型设备。此外，还拥有230kJ竖直/水平双向大型冲击试验系统，可用于复合材料防撞系统等各类构件的撞击试验。

现代木结构实验室建筑面积1400m²，拥有干燥窑和防腐处理间、胶合木加工制造设备、多功能木结构力学性能试验装置、蠕变加载装置、各类木材理化及霉变测试设备等。

随后，李淑春副主编介绍了稿件审理和编辑加工情况，双方就当前国内外期刊现状、研究成果发布以及科技论文写作等方面展开交流。

▲ 合影

本次交流活动的顺利进行，得到了南京工业大学刘伟庆教授及其研究团队的大力支持，在此，《建筑结构学报》编辑部全体工作人员深表谢意！