科技成果所属领域（或研究方向）:土木工程

科技成果名称: 大型结构可靠度优化设计高效方法与计算程序

成果简介：

u基于可靠度理论的大型结构设计是工程结构设计领域的发展趋势。国家自科基金委发展规划等多个战略文件中明确指出结构可靠性设计理论为优先发展领域之一。欧美国家亦将可靠性设计列为桥梁长期性能研究计划的重点目标。

u研究团队提出了失效方程零残差拟合、降维分解计算可靠度的创新思路，突破了结构可靠度分析与优化设计效率和精度难以兼顾等技术瓶颈，建立了高维随机变量下大型结构基于多响应面与子空间划分的结构失效模式解耦搜寻与可靠度高效方法，效率较IASSAR(国际结构安全与可靠性协会)前主席Gerhart I. Schuëller提出的线抽样方法提升20倍以上。依托该创新方法的项目被鉴定为“……研究成果总体上达到国际领先水平”，为我国工程结构设计领域的技术进步做出了重要贡献。

u本项目在《Structural Safety》、《建筑结构学报》等国际国内权威期刊等上发表论文30余篇，授权相关国内专利1项，软件著作权5项；获批“复杂不确定性下时变可靠度分析方法”等国家重点研发计划项目专题、省杰青、国自科及省自科基金项目5项；成果获湖南省科技进步一等奖1项、湖南省科技进步二等奖2项。

科技成果名称:高抗震/抗连续倒塌性能工程结构与施工优化技术

成果简介：

u团队研发了基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器和自复位桥墩、具有高抗连续倒塌性能的大跨度张弦梁等多种新型装置、构件和结构体系，系统开展了基于新型组件的张弦梁结构、混凝土框架与桥梁结构的抗连续倒塌、抗震性能试验与有限元分析，大幅提升了其受力性能；提出了基于可靠度的高性能工程结构施工安全控制与成本优化技术，助力此类结构施工安全与精益建造。

u研发了灌浆套筒封浆装置及灌浆饱满度检测、止水钢板穿柱结构方法及装置、开洞钢筋混凝土梁承载性能的内置型钢增强等技术，形成了融合设计方法、施工工艺、专利技术为一体的结构高效施工与性能提升成套技术体系，部分成果被纳入湖南省装配式混凝土建筑钢筋套筒灌浆连接技术规程；

u本项目已在《Structures》、《建筑结构学报》等国际国内权威期刊等上发表论文20余篇；发表美国专利1项、国内发明专利、实用新型专利7项、专利技术转让1项；发行国家标准1部、省级标准4部；获批省级工法1部；获批“工业建筑负载下外包钢筋混凝土加固钢柱极限承载力研究”等国家重点研发计划项目专题和省自科基金项目2项；完成“内置型钢增强开洞钢筋混凝土梁抗剪承载力研究”等横向项目10余项。

科技成果名称: 基于3D打印混凝土永久模壳的少支撑建造技术

成果简介：

u在3D打印混凝土早期本构、构件的可建造性能及3D打印复杂曲面结构成型等方面的研究取得了较大进展。提出了不同打印路径对3D打印混凝土构件的可连续打印性能的影响，并基于摩尔库伦本构及生死单元法，利用有限元软件能够较为准确的模拟3D打印建造过程；通过3D打印混凝土永久模壳的方式，实现了少/免支撑复杂曲面结构的建造成型。研究团队已就该项目研究成果与湖南建工集团、中建五局等公司达成战略合作。

u本项目已在《建筑结构学报》国内权威期刊等上发表论文5篇；授权相关国内发明专利、实用新型专利4项；获批“氧化石墨烯改性3D打印混凝土的增韧机理及建造性能研究”等国家和省自科基金项目5项；完成了200余根混凝土试件的3D打印。

以上项目成果已在国内首座“类双层”大桥长沙浏阳河大桥等国内一大批交通、建筑、市政等基础设施中应用；获中国产学研合作创新成果优秀奖；培养了湖南省杰出青年基金获得者、湖南省湖湘青年英才支持计划人选在内的青年教师、研究生30余人。

成果展示：

图1高维空间内子空间的划分       图2 失效方程的零残差拟合算法

                                                        

图3随机与固定偏心下的可靠指标对比  图4三荷机场整体张拉式钢索膜屋盖

结构施工安全控制

图5中国产学研合作创新成果奖

技术指标：

表1 技术参数对比

序号	指标名称	参数
1	复杂结构可靠性设计与评估方法的离散性：美国ACI规范方法的离散性	1 : 45.45
2	子空间高效划分可靠度方法的模拟次数：线抽样方法的模拟次数	1 : 21.88
3	新型张弦梁结构的抗倒塌承载力：传统张弦梁结构的抗倒塌承载力	3 : 1
4	基于全概率准则的混凝土框架“强柱弱梁”可靠度模型下“强柱弱梁”实现效果较现有规范设计方法的提升值	41%
5	老化损伤拱剩余寿命评估准则的计算误差	≤10%
6	复杂结构可靠性设计与评估方法下关于稳健可靠度的偏差	≤3.5%
7	类双层桥梁设计技术下的工程投资节约值	10%

表2 技术优势分析

比较项目	国内外同类技术	本技术（优势）
可靠度高效分析方法	高维复杂失效方程下，传统一二阶矩及改进可靠度方法等精度低；抽样函数难以科学确概率的贡献，在各子空间内的重要区定，现有抽样方法适用性较差。	基于样本点相关性，将高维空间划分成多个可视化的子空间；根据对失效概率的贡献，在各子空间内的重要区域内抽样，计算精度、效率高且稳定。
响应面拟合	二次多项式函数或神经网络等拟合，存在“过拟合”或“欠拟合”问题，精度较差。	对样本点按分布空间的不同进行聚类，采用多响应面进行拟合，自适应调整子空间数量，精度高且稳定。
失效模式搜寻技术	分支约界法，联合概率计算，逐步搜寻失效单元，效率低；重要抽样模拟法，抽样效率低。	采用迭代算法求解含验算点的代表性样本点，对样本点直接进行结构分析，快速确定失效单元，效率高。
预应力空间钢结构施工安全控制技术	未考虑索力偏差、节点偏差等施工不确定性对预应力空间钢结构安全性能的影响，容易产生较大安全隐患。	考虑索力偏差、节点偏差等施工不确定性，提出了基于可靠度的预应力空间钢结构施工安全控制与优化技术，提高了该类结构的施工质量与安全。
装配式混凝土施工质量控制技术	传统技术评估装配式混凝土结构力学性能时，没有考虑灌浆缺陷位置、数量等施工质量不确定性因素的影响，评估结果不够准确。	高效率量化灌浆缺陷位置、数量对装配式混凝土结构力学性能的影响，并通过合理考虑施工质量不确定性，形成了装配式混凝土结构质量控制标准，促进了装配式混凝土结构的推广应用。
偏压构件承载力 设计	固定偏心距思路，可靠指标随设计参数波动大,高达159.1%。	真实考虑偏心距随机性,设计可靠性均匀，与目标可靠性一致。
类双层桥梁设计 技术	结合部位单独设一桥墩或将主墩加宽很多，结构受力复杂,景观效果较差、与总体不协调。	考虑偏心距因素，优化预偏心值，在结合部主墩设一弧形挑臂，受力明确、造型协调、美观，节约工程投资约10%。
金属耗能阻尼器	多利用钢板剪切、弯曲等形式耗能，占用空间大，耗能装置需要定期维护。	利用钢板拉压屈服耗能，可嵌入承重构件或结构关键部位，不影响结构空间；在3.0倍屈服位移循环加载30次后，阻尼器工作性能仍保持稳定。

技术成熟度：中试阶段

知识产权：

转化方式：

目前已转入发明专利1项：一种在失效部位设置芯柱和可更换部件的钢筋混凝土柱。表中所列的知识产权成果转化方式采用实施许可、转让、作价入股投资或合作开发均可。

市场分析：

1.需求分析

    我国工程结构规模宏大，已经建造、正在建造和将来拟建的大型结构较多，如高层建筑、大跨度桥梁结构等。这类结构体系复杂，建造实现难度大。现有工程结构可靠度设计方法与建造技术，较少考虑施工及服役过程中的不确定性因素与国家高质量建造要求等，导致施工质量不高且安全事故时有发生，并使得在地震、不当维护等意外情形下工程结构破坏严重高于预期。因此，亟需大型结构可靠度优化设计高效方法及计算程序、高抗震/抗连续倒塌性能工程结构与施工优化、基于3D打印混凝土永久模壳的少支撑建造技术等实现上述要求，预期可降低成本15%以上。

2.效益分析

项目成果已在世界第一高桥北盘江大桥、国内首座“类双层”大桥湖南长沙市浏阳河大桥、国内最大跨度整体张拉式钢索膜结构的岳阳三荷机场航站楼等一大批交通、建筑、市政等基础设施中应用，产生经济效益总计14147.95万元，促进了社会经济发展。

团队情况：

团队成员	蒋友宝（团队负责人） 王福明、周妍、冷钰、周浩
项目联系人	蒋友宝
电子邮箱	youbaojiang@csust.edu.cn