学术前沿 | 走访西安建筑科技大学结构抗震与检测科研创新团队

2019年12月3日上午，《建筑结构学报》编辑部一行4人走访了西安建筑科技大学结构抗震与检测科研创新团队。团队负责人西安建筑科技大学党委书记苏三庆教授，团队成员熊仲明教授、王威教授、曹振教授级高工、雷斌教授级高工、时朋朋教授、李彬彬高工及部分博士研究生参加了交流活动。

▲ 交流现场

结构抗震与检测科研创新团队依托西安建筑科技大学土木工程学院，成立于2018年。团队成员有教授5人，教授级高工2人，高工1人，博士后1人。目前，团队获得了国家基金项目11项、省部级项目10余项；获省部级科技奖5项（其中一等奖1项）、国家教学成果二等奖1项、省级教学成果奖3项、国家授权专利100余项，出版著作（教材）10余部，获省部级优秀教材奖2项，工程验收标准3项，发表学术论文300余篇，被SCI期刊收录40余篇。

在学术带头人苏三庆教授的带领下，团队主要致力于钢结构的微磁无损检测、结构抗震及其防灾减灾、结构健康监测、安全诊断与加固、结构振动与控制、跨地裂缝土体-结构体系、结构隔震等方面的科研与教学工作。具体如下：

一 微磁无损检测理论及关键技术研究

1 钢铁金属材料的非线性力磁本构及磁检测方法定量理论

磁检测方法是以磁场作为测量信号或需要磁场做激励源的各类检测方法。磁检测为无损检测领域的重要分支，其中磁记忆、漏磁、增量磁导率、Bakhausen磁噪声等为磁检测的重要代表性方法。磁检测方法涉及了在外磁场和应力共同作用下铁磁材料力磁耦合本构关系的检测机理研究，以及应力和缺陷诱发的磁信号基本特征等应用基础课题。这些基本问题的研究，有助于分析铁磁材料的力磁耦合行为，提高磁检测方法对应力集中和缺陷的定量化分析能力。

针对铁磁材料力磁耦合本构关系，提出了微弱磁场下铁磁材料的应力磁化本构关系，与国际著名学者David C. Jiles所提出的磁化模型相比，实现微弱磁场下铁磁材料应力磁化行为的准确描述；提出了考虑外加磁场和应力方向效应的铁磁材料各向异性应力磁化本构关系，为实际应用中不同外磁场和外载荷加载方式下的分析提供了依据；建立了考虑铁磁材料的磁-热-弹塑性多场耦合本构关系，研究了材料所处复杂环境中的磁场、载荷、温度、弹塑性状态等因素对磁检测信号的影响机制以及这些作用机制之间的耦合规律。

针对磁记忆检测方法，提出了基于应力磁化本构的磁荷模型，解决了三维磁异常检测信号的问题；建立了包含力学、磁学、应力磁化本构的磁记忆信号理论求解框架，利用有限元方法实现磁记忆信号的定量化分析，分析了各类磁记忆信号的基本特征和变化规律，该成果适用于多种铁磁材料；给出磁记忆检测反演问题的描述，基于共轭梯度反演并建立了应力和缺陷的重构识别方法，通过理论证实利用微磁信号对应力集中等早期损伤进行定量化判定的可行性；建立了可以同时定量描述温度、弹塑性状态等对磁记忆信号的影响的理论模型，系统分析了材料所处复杂环境中的磁场、载荷、温度、弹塑性状态等因素对微磁信号的影响以及这些因素之间的耦合机制。

团队建立了从源于微观现象的磁化机理建模、到面向宏观的磁记忆信号定量化分析、最终到面向检测的残余应力/缺陷定量化评价的自下而上系统完整的磁记忆检测理论。该研究成果获2017年度中国无损检测学会斯耐特奖。

2 建筑及桥梁钢结构磁记忆检测关键技术及应用

针对金属磁记忆检测技术在实际复杂建筑及桥梁钢结构上存在检测难度大、效率低等技术难题，以土木工程、材料工程、仪器仪表设计等相关学科交叉为研究特色，提出了基于磁记忆检测技术的各类多功能检测装置，并对其适用性及应用范围进行研究。

该类多功能检测装置及技术实现了金属磁记忆检测技术在建筑及桥梁钢构件、矿用钢丝绳及钢绞线等方面的应用。在保证不影响结构及构件正常使用的情况下，拓展了该项检测技术的适用范围；改进的传感装置（笔试探头和小车装置）适用于管道、拉索等复杂结构的检测，大幅度提高其检测效率、检测精度及检测灵活性；能够充分监测结构应力发展全过程，对危险截面作出预警。

二 古建筑木结构的检测与评价

根据古建筑保护等级和管理单位的要求，基于所处地理位置及气候、建造年代、遭受灾害、历次维修记录和现有图文资料等条件，结合现场检测采集的数据，对山西木塔结构的破坏和残损情况进行深入调查与评估。

分析了应县木塔的主体结构，包括节点形式与分布，以及主体结构梁、柱、斗拱的结构形式。采用激光测距仪和卷尺量测木塔结构构件的宏观几何尺寸；采用高精度全站仪测量木塔倾斜量，对其进行系统性评价，同时对内外槽受压柱的变形情况进行测量；采用动态信号测试方法实测了木塔的自振频率。

通过现场实测建立了木塔结构状态及残损状况的数据库，为保护古建筑提供了技术支持。

三 结构抗震性能研究及工程应用

1 可恢复功能剪力墙抗震性能研究

团队提出了可恢复功能波形钢板混凝土组合剪力墙的设计方法，并对其抗震性能进行了研究。该类剪力墙具有厚度薄、自重轻的特点，抗震性能优良、整体性较好，通过更换消能构件可使主体结构在震后快速恢复使用功能。波形钢板具有较大的平面外刚度，抑制钢板发生平面外鼓曲，提高结构的屈曲承载力。采用波形腹板，可不设加劲肋，其高厚比可达600，较普通钢板混凝土组合结构用钢量减低30%左右。

2 电气设备（特高压、核电）振动台试验研究

依托结构工程与抗震教育部重点实验室/陕西省结构与抗震实验室，研究团队以电气设备（特高压、核电等）为研究对象，围绕着设备的动力特性以及地震作用下设备的动力响应、震害等，开展地震模拟振动台试验，研究了电气设备的抗震性能，为电气设备技术更新和应用提供了技术支撑，成果已经应用于国内多个特高压变电站以及核电站中。

四 城市轨道交通结构技术体系研究及应用

1 基于轨道交通站体或车辆段（停车场）TOD模式下的结构抗震研究

基于轨道交通站体或车辆段（停车场）以公共交通为导向的开发（transit-oriented development，TOD），下部结构形式对上部户型、商业体布局和整体造价有着较大影响。带上盖的TOD开发项目与一般的工业与民用建筑的主要区别在于，其下部为工业建筑，而上部为民用建筑。由于两者的使用功能不同，导致层高、跨度、结构体系的选择等差别较大，使结构变成上刚下柔的大底盘多塔楼复杂结构，导致结构变成甚至特别不规则。沿海发达城市采用的主要结构形式有剪力墙全落地结构、核心筒剪力墙落地结构以及全转换层结构等，但对盖体造价以及对上部影响和结构抗震方面没有进行系统性研究。针对上述问题，课题组以西安地铁3号线鱼化寨停车场为研究对象，开展了合理结构形式及抗震性能方面研究。

2 公共交通枢纽项目系统性减振降噪技术研究

由于公共交通车辆在运行或检修维护运行时产生的振动沿下部结构向上传播,造成上部结构产生振动。这一方面严重干扰了上盖平台居民的日常生活与工作，另一方面还会可能造成相关结构、系统设备的疲劳性损坏，缩短其有效使用寿命。其中对于轨道的，主要采用隔音屏障、加厚上盖板、高弹性垫板、浮置板道床等方法进行减振降噪。目前，团队联合相关企业进行技术攻关，相关成果已在部分工程上应用。

3 面向轨道交通施工及验收标准

1）地铁盾构隧道预制管片施工及验收标准。盾构管片是为防止隧道周围土体变形或坍塌而沿隧道洞身修建的永久性支护结构。管片的制作和施工质量直接影响到盾构隧道施工质量和运营安全。西安是全国第一个在湿陷性黄土地区修建地铁的城市，湿陷性黄土隧道受力规律复杂，易导致盾构管片在施工和使用过程中出现开裂、错台、渗漏水、破损等灾害问题。团队主持编制了陕西省DBJ61/T47-2014《地铁盾构隧道预制管片施工及验收标准》，标准于2014年发布执行。该标准获2015年度“陕西省科学技术奖励”二等奖。

2）轨道交通预应力混凝土预制梁施工及验收标准。城市轨道交通桥梁与高铁、公路桥梁存在较大差别。由于梁体的自重不同，施工所采用的提运架设备、梁场的设计和建设、生产工艺、材料要求以及验收标准等均有所不同，为适应陕西省城市轨道交通建设工程需要，规范地铁、轻轨、机场线、旅游观光线等混凝土预制箱梁施工及验收。团队主持编制了陕西省DBJ61/T79-2014《轨道交通预应力混凝土预制梁施工及验收标准》，标准于2014年发布执行。该标准获2016年度“陕西省科学技术奖励”二等奖。

五 结构振动与控制

1 基于SMA-压电复合减震系统的电抗器结构地震响应控制研究

结合形状记忆合金（shape memory alloy, SMA）和压电陶瓷材料的特点，研发了一种混合半主动控制装置-SMA压电摩擦复合阻尼器，在其力学性能试验的基础上，建立了阻尼器的优化BP神经网络本构模型，并结合模糊控制技术构建了结构地震响应的混合控制系统。针对遗传算法容易陷入早熟收敛和群体多样性差的问题，基于生物免疫系统中的克隆选择、免疫记忆以及免疫自调节机理，设计了一种自适应免疫记忆克隆算法（AIMCA）。以模态可控度作为优化目标，分别采用改进的遗传算法（IGA）和AIMCA对空间平板网架结构中的阻尼器进行了优化配置研究，该结构具有85个节点、288根杆件。

对研发的复合阻尼器进行了力学性能试验，分析了激励电压和位移幅值等因素对其单圈耗能能力、等效阻尼比及等效割线刚度的影响。基于SMA和SMA-压电摩擦复合阻尼器的力学性能试验，分别采用两种神经元输入策略建立了相应的BP神经网络预测模型，并利用AIMCA对阻尼器神经网络模型的权阈值进行了优化。

2 基于SMA-SPDS的古塔结构减震控制研究

结合SMA 材料特殊的力学性能和悬摆减震的工作原理，将 SMA 材料复合于悬摆减震系统之中，研发了SMA 复合悬摆减震系统（简写为 SMA-SPDS），该系统具有不影响古塔原貌和历史信息，便于集成和能够减小古塔结构地震响应的优点。通过对其进行的36种工况下振动台试验，研究了9种不同质量、摆长和 SMA丝预应变等因素对 SMA-SPDS 减震效果的影响。同时，利用相位分析原理，对 SMA- SPDS 的工作性能和有效性进行了探讨，检验了其控制效果和有效性；此外，还以多自由度体系的模态分析为基础，将西安小雁塔结构解耦为多个单自由度体系，利用定点理论对 SMA-SPDS 的布置位置、最佳调谐和最佳阻尼比等参数进行了工程优化设计，建立了相应的工程优化计算方法。

设计并制作了一个几何相似比为1/10的古塔模型结构，研发了3个与之匹配的 SMA-SPDS，进行了模拟地震振动台试验，对比研究了是否设置SMA-SPDS的模型结构在地震作用下的塔体底部、中部和塔顶的相对位移和加速度响应等，探讨了塔体结构地震响应的主要特点以及相应的破坏机理和规律，检验了 SMA-SPDS 的减震效果。

3 大跨空间网壳结构地震响应分析及振动控制研究

以大跨空间网壳结构在一致输入和多点输入下的地震响应，探讨了一致输入和多点输入下空间网壳结构地震响应的变化规律，同时利用磁控形状记忆合金（Magnetic Shape Memory Alloy-MSMA）特殊的物理力学性能，自主研发了2种MSMA作动器以及相应的主动控制系统，设计并制作了2个空间网壳模型结构，对其进行了模拟地震振动台试验。

采用ANSYS有限元软件，建立了该单层球面网壳结构的有限元分析模型，同时利用一致输入反应谱的二次组合法（CQC），研究了该结构在水平和竖向地震作用下的杆件内力和节点位移，得到了一致输入下网壳结构的地震响应规律。以自主制备的Ni53Mn25Ga22合金材料为核心元件，从磁场、磁路、预压力装置、温控装置等方面系统地分析了MSMA作动器的工作原理和构造方法，并对其进行了磁路的优化与分析，通过磁场-作动性能试验，建立了MSMA作动器的静、动力本构模型。

4 空间网壳结构动力稳定主动控制理论及试验研究

研究了大跨空间网壳结构的动力稳定性能，运用压电智能材料，课题组设计了可以将拉力转化为压力的压电主动杆件，充分发挥了压电堆受压性能好的特点。基于模糊控制理论和控制方法，进行了空间网壳结构动力稳定主动控制理论研究和试验验证，给出了空间网壳结构的动力失稳区间，分析了引起结构动力失稳的主要因素和一般规律。推导了网壳结构动力稳定主动控制的理论分析模型，验证了结构动力稳定控制的有效性和可行性。利用压电材料响应速度快、效率高、性能稳定等特点，研发了一种适合于土木结构振动控制的新型压电主动杆件，建立了相应的有限元分析模型。通过对压电主动杆件进行的静、动力特性以及驱动性能试验研究，得到了压电主动杆件的驱动增益，验证了其适用性和可靠性。利用8个自主研制的压电主动杆件，对一凯威特网壳模型进行了主动控制振动台试验，采取对8个压电主动杆件循环开/关闭合驱动的方法。

5 空间网格结构主动抗震控制理论与试验研究

针对地震作用下空间网格结构的受力和变形特点，利用超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material-GMM）特殊的物理力学性能，研发GMM主动抗震控制系统，提出相应的控制理论和工程应用技术。

研发了2种新型作动器，并从磁场、磁路、预压力装置、温控装置等方面系统地分析了作动器的工作原理和构造方法，进行了磁路的优化与分析。分析了GMM的磁致伸缩逆效应机理，探讨了GMM作动器的自传感特性并对其进行了相应的试验研究，验证了应用GMM作动器的自传感特性进行空间网格结构杆件应力传感的可行性。并分析了其作为自传感作动器进行结构抗震监测控制的基本原理和实现方法。分析了GMM主动杆件在空间网格结构中的优化配置方法，研究了评价空间网格结构主动抗震控制优化的性能指标，并构建了适应度函数；提出了基于遗传算法的优化策略实现方法，利用MATLAB软件编写了适应度函数程序，并应用GADS工具箱进行了优化计算。通过合理设计的主动控制策略，简化了控制方法，可实现对结构的在线实时主动控制；设计制作了一个凯威特型单层网壳的模型结构，进行了设置GMM主动杆件和未设GMM主动杆件的模拟地震振动台试验。

六 地裂缝场地土体-结构体系的抗震研究及应用

地裂缝是岩石、土体在自然或人为因素作用下发生破裂，并在地表形成一定长度和宽度的裂隙，是一种独立的自然灾害类型。不但给各类建筑结构、古建筑以及地铁、管廊工程造成灾难性的破坏，而且还引发了一系列生态环境问题，严重制约着城市规划和建设用地的使用。

为了系统地研究地裂缝场地土与结构体系（SSI）和地裂缝环境下大跨度地下结构与地表结构（SSSI）的动力响应规律和破坏机理，课题组以西安f4地裂缝场地为背景，以框架结构和大跨度地铁车站为研究对象，分别开展了地裂缝场地土体非一致性振动台物理模型试验、跨越地裂缝框架结构地震模拟振动台试验、带支撑跨越地裂缝框架结构地震模拟振动台试验、地裂缝场地下地铁车站地震模拟振动台试验以及地铁车站与框架结构共同作用振动台试验。研究成果获国家发明专利6项，实用新型专利6项，出版专著1部。

1 地裂缝场地土体非一致性振动台物理模型试验研究

课题组以西安f4地裂缝场地为背景，以相似理论为基础，设计并完成了地裂缝场地非一致性地震振动台物理模型试验，主要解决了土体边界效应的处理、模型的设计与制作、地裂缝的模拟、测点布置以及试验加载方案制定等一系列关键问题，获得了模拟地裂缝场地振动台试验方法。

通过开展地裂缝场地非一致性地震振动台物理模型试验和数值模拟分析，得到了地裂缝场地土体模型的地震破坏特征、动力特性变化规律以及地震损伤发展规律，分析了地震动强度、强震持时、频谱特性等一系列地震动参数在土体内部的分布规律，得到了地震波特性以及岩土地质构造对地裂缝场地动力响应的影响规律。

2 跨地裂缝结构-土地震振动台模型试验研究

针对跨地裂缝结构，以西安市唐延路地下人防工程处f4地裂缝为研究对象，采用试验研究与数值模拟相结合为研究手段，在非一致性不同地震波输入下，对结构的各种力学特性以及破坏机理等关键问题展开研究。

3 跨越地裂缝带支撑框架结构地震模拟振动台试验

为降低地裂缝对建筑物的破坏，开展跨越地裂缝结构灾害控制措施的振动台试验及数值分析研究具有重要的理论意义和工程实用价值。课题组设计并制作了一个跨越地裂缝并施加支撑的五层框架结构模型，对其进行振动台试验。从结构动力特性和动力响应等方面对支撑模型进行了分析，研究了在地震作用下地裂缝场地上、下盘土体的动力响应规律和设置支撑后的框架结构的变形规律和破坏形式。

4 地裂缝场地下地铁车站与框架结构振动台试验

为了研究在非一致性地震激励下大型地下结构与地表结构耦合作用的失效机理，提出大型地下结构与地表结构在地震作用下相应的破坏准则，课题组分别进行了地裂缝场地下地铁车站地震模拟振动台试验和地裂缝环境下地铁车站与框架结构相互作用振动台试验。

七 滑移隔震技术

1 新型滑移装置

为防止滑移隔震结构在地震作用下的基底滑移量过大，建立了带U形限位装置的滑移隔震结构。该隔震装置是由滑移支承和限位消能两种元件所组成。滑移隔震元件由上、下刚性支承板及中间用低摩擦系数材料聚四氟乙烯喷涂的不锈钢板等元件所组成。基于此，提出了用软钢U形带片作为限位消能元件，并在基础与限位消能装置之间预留一定的自滑区长度，组合成为一种新型的滑移隔震系统；该系统一方面支承建筑物的全部重量，承受地基与上部结构之间预期的相对水平位移；另一方面延长建筑物的自振周期，使结构系统的基频处于高能量地震频率范围之外，从而能有效地降低建筑物的地震反应。

2 现场工程试推实测与分析

该项研究成果应用于西安市东南郊的青龙小区(西区)的3号楼。通过有限元分析，将不同的试推方案进行比较，以荷载分配值均衡为一组的原则，选取应力分布集中，并且位移过大的角点，以及转折点作为试推点。在二层、四层楼板完成及主体完成进行三次试推，试推装置采用工具式钢牛腿。结果表明，合理的分散布置试推点的方案具有可行性，可以将千斤顶推力合力的作用线与滑移隔震支座最大静摩擦力或滑动摩擦力的合力作用线保持一致，且各条轴线在滑移时平移距离基本相同，使上部结构不会产生整体扭转。

通过本次交流活动，增进了《建筑结构学报》编辑部和结构抗震与检测科研创新团队的相互了解，期待今后有更多的交流合作。对于苏三庆教授及其研究团队对本次走访活动的大力支持，《建筑结构学报》全体工作人员深表谢意！

▲ 合影