学术前沿 | 走访西安建筑科技大学钢结构研究团队

西安建筑科技大学钢结构研究团队起源于1956年全国高等院校院系调整时组建的西安冶金建筑学院钢木教研室，经过以陈绍蕃先生为代表的老一辈专家学者的建设，现已发展为以郝际平教授为学术带头人，由5名教授、12名副教授、2名高级工程师、4名讲师和1名博士后组成的研究团队。团队长期从事钢结构稳定、钢结构新型抗侧力体系、新型装配式建筑技术体系、大跨空间结构、抗连续倒塌和新型材料、构件的科学研究、技术开发和工程服务工作，培养了一大批钢结构方向的教学、科研和工程技术人才。

2019年12月4日下午，《建筑结构学报》编辑部一行4人走访了西安建筑科技大学钢结构研究团队。团队负责人郝际平教授，团队骨干成员王先铁教授、薛强高级工程师、申红侠副教授、樊春雷高级工程师、连鸣副教授、郑江讲师、田炜烽讲师、徐莹璐讲师、孟宝博士参加了本次交流活动。

▲ 交流现场

交流会上，郝际平教授对编辑部的到访表示了热烈欢迎，并对钢结构团队的历史沿革予以介绍，随后田炜烽老师介绍了团队目前的主要研究工作。具体如下：

一 钢结构稳定

1 经典稳定问题

团队长期致力于钢结构经典稳定问题的研究，近年来对诸多稳定遗留问题进行了研究，包括压弯构件平面内等效弯矩系数的改进、任意变轴力压杆的稳定性、考虑柱间相互作用的二阶及多阶变截面柱的稳定性、考虑横梁荷载的刚架的稳定性、多道弹性支撑杆的钢柱稳定、塔架主杆及交叉斜杆的稳定承载力、焊接薄壁箱型截面轴心压杆的承载力、单轴对称和双轴对称无支撑简支梁的稳定、单边连接单角钢压杆的稳定计算、厂房框架带牛腿柱的计算长度、钢梁支承加劲肋的计算长度、冷弯型钢檩条的有效截面、角钢和剖分T型钢压杆的弯扭屈曲等，这些研究充实了钢结构经典稳定理论体系。

2 三维空间钢结构高级分析理论

对三维空间钢结构高级分析理论进行了系统研究，建立了考虑几何及材料非线性、剪切变形、翘曲、初始缺陷和节点半刚性等影响因素的三维空间框架薄壁梁柱单元刚度矩阵，由此构建了三维空间钢结构高级稳定分析理论，编制了计算软件ADANS，并成功将其应用于大型工业装备、异形空间结构的稳定设计。2004年将研究成果率先应用于复合肥工业造粒塔，解决了该类型结构的稳定设计难题，此后该成果又成功在超高层、大跨体育馆、机场航站楼等30多项中大型工程中应用。如西安咸阳机场二期扩建工程T3A航站楼、宝鸡市游泳跳水馆、河南福建等地造粒塔项目等。

3 高强钢构件的稳定

团队完成了100余个Q460高强角钢受压构件的静力试验，给出了Q460角钢在轴压、偏压作用下的稳定承载力计算公式和稳定系数；研究了Q460焊接工字钢、方形和矩形钢管偏压构件的局部-整体相关屈曲，提出了平面内和平面外稳定承载力计算公式；分析了Q460工字形焊接梁的整体稳定，得到了稳定计算公式；测量了Q690高强钢管的残余应力，得到了残余应力分布模型，并系统研究了Q690钢管的轴压和压弯性能，提出了稳定承载力计算方法。

二新型抗侧力体系

1 钢板剪力墙结构

团队依托5个国家自然科学基金和4个陕西省自然科学基金对钢板剪力墙结构的受力机理、抗震性能和设计方法展开了系统研究，先后完成了50余个试件的拟静力试验和振动台试验。针对传统钢板墙结构存在的边柱易破坏、框架梁塑性开展不利和滞回曲线捏缩等性能缺陷，团队提出了半刚性框架-钢板剪力墙、钢管混凝土-钢板剪力墙、钢与混凝土部分组合框架-钢板剪力墙、密肋网格防屈曲钢板剪力墙以及密肋网格防屈曲低屈服点钢板剪力墙等多种形式的新型钢板剪力墙结构，并在明确力学机理的基础上提出了基于性能的设计方法，该项研究极大丰富了钢结构抗侧力结构的形式和种类。

钢板剪力墙结构利用屈曲后强度，其分析和设计需借助简化模型。针对现有简化模型单元多、节点定位不便和易造成大量的小梁小柱单元进而影响精度的缺陷，团队创新性地提出了三拉杆模型。该模型仅利用连接与梁柱中点和交点的三个拉杆单元便可精确模拟钢板剪力墙的弹塑性性能，准确预测结构的刚度、承载力以及框架的内力，和国际上通用的多拉杆模型相比，具有相同的精度但可极大地降低建模和分析难度。

2 高强钢组合偏心支撑框架

高强钢强度高，可以显著减小构件截面，具有较高的经济效益，但由于其在强度提高的同时，塑性变形能力有较明显的降低，不利于抗震，这限制了高强钢在建筑结构领域的应用。针对这一问题，团队提出了高强钢组合偏心支撑框架结构，该结构中的偏心支撑耗能梁段采用低屈服点钢而框架梁柱采用高强钢，确保了在地震作用下耗能梁段能完全进入弹塑性状态进行耗能而主要框架构件依然保持弹性或少部分弹塑性，从而显著提高了结构的抗震能力。

完成了耗能梁段剪切屈服型和弯曲屈服型的单层单跨K形与Y形平面试件的拟静力试验、三层耗能梁段剪切屈服型的K形与Y形结构拟静力及振动台试验，明确了结构在水平循环荷载作用下和不同烈度水平地震作用下的破坏机理和动力特性，得到了关键的抗震性能指标，提出了设计参数和抗震构造，建立了结构的恢复力模型和力学模型，最终提出了基于性能的抗震设计方法。

3 交错桁架结构

团队对交错桁架结构体系抗震性能进行了系统的试验和理论研究，提出了能显著改善结构抗震性能的新型延性交错桁架结构，并研究了该结构的工作机理，建立了地震作用下的力学模型，提出了性能化设计理论及方法。完成了大比例交错桁架结构拟静力试验，研究表明普通的交错桁架结构在往复荷载下，桁架腹杆的屈服或屈曲会导致结构整体承载力突然下降，表现出脆性破坏的特征，严重影响结构抗震性能。因此，课题组提出了在桁架空腹节间设置延性区段的延性交错桁架结构体系，并对其展开了系统的抗震性能研究，深入分析了该结构的破坏机理和滞回性能，构建了延性区段的恢复力模型和力学模型，提出了基于性能的抗震设计方法。

三 新型装配式建筑技术体系

团队通过产学研合作，以“工业化、绿色化、标准化、信息化”为研发目标，以系统化思想、集成思维、创新引领、实践检验为主要研发思想，提出了装配式建筑系统集成理论，主要包括装配式建筑系统集成、多方协同管理系统和产业系统规划。在结构、围护、设备、装修系统集成方面提出多尺度分级模数设计方法，并结合装配式建筑建造特点，开发了基于EPC模式的装配式建筑协同建造系统管理平台。同时研发出了装配式钢结构建筑体系，包括建筑标准化设计、结构体系、围护体系、配套设计标准、辅助计算、深化设计软件、设计施工信息化协调平台、相关生产加工设备等全产业链技术。

1 壁式钢管混凝土柱体系性能研究

壁式钢管混凝土柱是新型装配式钢结构体系的关键构件，团队对不同长宽比的热轧和焊接壁式柱的受力机理、抗震性能以及设计方法进行了深入研究，提出了新型的对穿平头拉杆壁式柱和梅花形对穿平头拉杆壁式柱，得到了关键的抗震性能指标，提出了抗震构造措施和设计原则，得到了轴压和压弯作用下的强度和稳定计算公式。

对壁式钢管混凝土柱配套的梁柱连接节点进行了系统研究，创新性地提出了适用于壁式柱的侧板螺栓节点、侧板焊接节点、侧板优化节点以及部分内隔板节点，并进行了节点平面内和平面外抗震性能试验研究，提出了抗震构造措施和设计原则。

2 装配式钢结构建筑体系及产品

团队将新型抗侧力结构和壁式钢管混凝土柱研究成果有机结合，开发了构件、节点辅助校核软件和壁柱结构体系的深化软件，并联合设备厂家研发了逆变式脉冲气保龙门焊接专机和狭小空间角焊缝悬臂焊接专机等关键加工设备，解决了生产难题，形成了全产业链技术。同时研发了具有防火、保温、隔热一体化的喷涂式特种防护砂浆，并创造性地将其应用在钢结构包裹及与墙板接缝处，开发了钢结构梁柱包裹防护系统，解决了传统钢结构的三板问题，开发了与结构配套的轻钢龙骨-石膏基砂浆复合墙体。最终研发形成了成套技术的装配式高层钢结构住宅体系，装配式高层钢结构住宅公共建筑体系和模块化装配式低多层新民宿住宅体系。

四 结构抗连续倒塌

1 空间钢框架结构抗连续倒塌

团队在多项国家自然科学基金的资助下，围绕空间钢框架结构的连续倒塌问题开展了大量的试验研究和理论创新工作。通过对强轴和弱轴方向不同刚度连接的梁柱子结构试件进行了拟静力试验研究，获得了不同刚度连接梁柱子结构的破坏模式、应变状态、变形能力、内力发展和抗力机制转化规律，揭示了楼板在大变形下的组合效应，构建了基于不同节点刚度的钢框架结构非线性连续倒塌分析模型，为整体结构的抗倒塌性能评估提供重要依据。

基于三层梁柱子结构的拟静力试验获得了各层子结构的破坏模式、变形能力、内力发展和层间组合机理，提出了基于空腹机制提高结构整体抗倒塌能力的构造设计方法，完善了钢框架结构整体性能提升的理论体系。利用组件法构建了梁柱连接的组件模型，完整描述了半刚性连接节点在连续倒塌过程中的受力状态和变形模式，构建了基于抗倒塌机制（梁机制、压拱机制、梁-悬链线混合机制及悬链线机制）的不等跨梁柱子结构非线性连续倒塌分析模型，系统分析了不等跨子结构的抗力发展规律，给出了不等跨子结构在集中荷载和均布荷载作用下的理论抗力计算方法，为准确量化和评估钢框架结构的抗倒塌能力提供了重要的理论依据。

2 大跨度空间网格结构抗连续倒塌

在大跨度空间网格结构抗连续倒塌方面，团队完成了二十余个缩尺空间网格结构的连续倒塌试验，分析了影响倒塌的若干因素，揭示了此类结构的抗倒塌机理及动态响应过程。建立了空间网格子结构模型，提出基于多重响应的重要构件评估法、考虑施工效应的等效荷载卸载法用于空间网格结构的连续倒塌分析。推导出考虑初始状态下子结构在线弹性、弹塑性阶段的动力放大原理，提出连续倒塌动力效应简化模拟方法，给出单层网壳结构荷载动力放大系数的建议取值范围。建立了基于增量动力分析的抗连续性倒塌评估方法，得到空间网格结构定量的倒塌评价指标。构建了空间网格结构抗连续倒塌性能提升机制及其计算理论，提出可提升抗悬链线与稳定能力的新型节点和杆件。

五 新型材料、构件的研发

1 喷涂复合砂浆-冷弯薄壁型钢墙体和原竹组合结构

研究团队在国家重点研发计划项目等多个项目的资助下，创新性地研发了新型喷涂复合砂浆-冷弯薄壁型钢墙体结构和喷涂复合砂浆-原竹组合结构体系并对其展开了系统深入的研究。在复合砂浆冷弯薄壁型钢墙体方面，团队进行了一系列足尺试件的静力和拟静力试验研究，分析了墙体在轴压、压弯和往复荷载作用下的受力机理、存在能力和破坏模式，得到了该种墙体的强度计算公式、提出了抗震构造措施和设计、施工方法。

在喷涂复合砂浆-原竹组合结构方面，团队首先对原竹材进行了抗拉、抗压、抗剪、抗弯等一系列力学性能研究，得到了原竹材强度设计建议值。在此基础上研究了喷涂复合砂浆与原竹界面的破坏模式、黏结机理及影响黏结强度的因素，建立了竹材含水率和砂浆喷涂时机等关键因素的影响机制，并给出保证界面间协同工作的多种构造措施。开展了该类结构体系中关键构件（梁、柱、墙体、楼板等）及节点的力学性能研究，提出了上述构件及节点的计算理论与设计方法，主要包括原竹/组合梁（楼板）受弯承载力计算方法、原竹/组合柱截面强度与稳定承载力计算方法、原竹/组合墙体受压承载力与抗震性能化设计方法、基于销连接的节点计算理论等。

2 泡沫钢材力学性能及轴心受压构件稳定性能研究

泡沫钢是一种结构-功能一体化材料，可以通过改变孔隙率和孔结构来改变钢材密度、弹性模量和屈服强度，合理的设计能够有效地提高结构构件的稳定性能，从而提高承载力。团队在现有泡沫钢制备工艺和材料性能研究的基础上，通过大量的试验研究、数值计算和理论分析，从材料的制备、基本力学性能和轴心受压构件的稳定性能三个方面对泡沫钢进行深入研究。采用造孔剂法制备泡沫钢，建立了孔隙率的计算公式，给出了相关烧结工艺建议。通过单轴力学性能试验，得到了泡沫钢的典型材性曲线和损伤演化规律。通过循环加载试验，研究了泡沫钢在循环荷载下的破坏形态和强化特性。通过构件试验和有限元数值分析，研究了残余应力、本构模型等因素对泡沫钢轴心受压构件稳定性能的影响，给出了适用于泡沫钢的新柱子曲线，确定了泡沫钢短柱板件宽厚比限值。

六 成果及获奖

近年来，团队先后承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金等国家级项目20余项、省部级科研项目30余项；获国家科技进步奖二等奖1项；国家级教学成果奖二等奖2项；陕西省科技进步一等奖1项；山东省科技进步一等奖1项；陕西省科技进步二等奖3项；发表SCI/EI期刊检索论文200余篇；获准国家发明专利100余项；参编国家及行业标准10余部;出版钢结构相关的教材、著作10余部，其中《钢结构》是“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材，也是我国印刷数量和再版次数最多的土木工程专业教材之一，《钢结构设计原理》是教育部研究生工作办公室推荐教材、普通高等教育“九五”国家重点教材，《钢结构稳定原理与设计》是教育部研究生工作办公室推荐教材、普通高等教育土建学科专业“十二五”规划教材。

承担的主要项目

国家重点研发计划项目（5项）

1）一体化关键预制构件及新型木竹组合结构（2017YFC0703502，郝际平）

2）钢结构建筑产业化关键技术及示范（2017YFC0703800，薛强，合作单位课题）

3）地域气候适应型绿色公共建筑设计技术体系（2017YFC0702303-01，于金光，合作单位课题）

4）建筑钢结构体系研究及工程示范（2016YFC0701201，郝际平，合作单位课题）

5）装配式模块化钢结构体系设计技术研究（2016YFC0701503，苏明周，合作单位课题）

国家自然科学基金面上项目（12项）

1）GFRP-高强钢轴心受压构件稳定理论及设计方法研究(51978563,申红侠)

2）大跨度波纹钢板综合管廊结构土-钢作用机理及承载能力研究(51978564,苏明周)

3）联肢非加劲钢板剪力墙结构的协同工作性能及抗震设计对策(51878541,郝际平)

4）基于整体可靠度的钢框架连续倒塌状态评估及性能设计对策 (51678476,钟炜辉)

5）自复位方钢管混凝土框架-密肋网格钢板剪力墙结构的抗震性能与设计方法研究(51678474,王先铁)

6）钢板剪力墙结构震损评估及性能修复的理论与试验研究 (51578442,郝际平)

7）结构用泡沫钢材本构模型及泡沫钢构件受力性能研究(51478380,苏明周)

8）半刚性框架-防屈曲剪力墙结构新体系理论与试验研究(51178381,郝际平)

9）高强钢组合偏心支撑钢框架抗震性能研究(51178382,苏明周)

10）半刚性框架-钢板剪力墙新型结构体系理论与试验研究(50878181,郝际平)

11）高层建筑新型混合联肢墙结构体系的抗震性能及设计对策(50878182,苏明周)

12）三维空间钢结构高级分析理论(50378078,郝际平)

国家自然科学基金青年项目（8项）

1）基于多层次子结构的钢框架抗连续倒塌能力量化评估及设计对策(51908449,孟宝)

2）钢板耗能墙控力防屈曲支撑新型抗侧力结构的抗震性能和设计方法研究(51808436,田炜烽)

3）可更换剪切型耗能梁段-高强钢框筒结构体系抗震性能与设计方法研究(51708444,连鸣)

4）大跨度单层空间网格结构抗连续性倒塌性能评估及设计方法研究(51608433,田黎敏)

5）半刚性部分组合框架-钢板剪力墙新结构体系抗震性能及设计方法研究(51408461,于金光)

6）基于抗倒塌机制的空间钢框架抗力分析及设计方法研究 (51308442,钟炜辉)

7）延性交错桁架结构抗震性能及设计对策(51208412,冉红东)

8）方钢管混凝土框架-薄钢板剪力墙结构关键技术与设计方法研究(51108369,王先铁)

本次学术交流的圆满完成，得到了西安建筑科技大学郝际平教授及其研究团队的大力支持和周到安排，在此《建筑结构学报》编辑部全体工作人员深表谢意！

▲ 合影