華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院海外學(xué)者前沿講座第四十三期，我們邀請到來自美國圣母大學(xué)土木環(huán)境工程與地球科學(xué)系結(jié)構(gòu)工程方向Myron and Rosemary Noble冠名副教授Ashley P. Thrall。她的研究主要集中在可變民用基礎(chǔ)設(shè)施的力學(xué)行為、設(shè)計(jì)和優(yōu)化上，致力于開發(fā)具有可快速移動(dòng)、拼裝以及部署的模塊化橋梁、避難所和建筑物。本次報(bào)告Thrall教授將為我們介紹了一種面向韌性和快速拼裝鋼結(jié)構(gòu)建造的易于制造和安裝的模塊化節(jié)點(diǎn)和可調(diào)節(jié)的螺栓鋼板連接。

在鋼橋、鋼結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格殼等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造和安裝過程中，如何將構(gòu)件安全有效的連接是至關(guān)重要的問題。傳統(tǒng)的做法是先進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再考慮如何設(shè)計(jì)連接件以滿足幾何和結(jié)構(gòu)要求。這就導(dǎo)致了復(fù)雜連接構(gòu)件的出現(xiàn)，比如節(jié)點(diǎn)板可能是沒有效率的、易于出現(xiàn)耐久性問題并且難以檢修和維護(hù)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接件由于過于復(fù)雜而帶來制造和安裝的挑戰(zhàn)，大大提高了經(jīng)濟(jì)成本。

針對這個(gè)問題，Thrall教授首先向我們介紹了她們的設(shè)計(jì)策略，即先設(shè)計(jì)簡單的、易于制造和安裝的模塊化節(jié)點(diǎn)和可調(diào)節(jié)的基本構(gòu)件單元，再來設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的連接形式，形成一種模塊化的建造方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可預(yù)制節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用拼接連接，連接件易于制造和安裝，并適用于長期的維護(hù)和檢修。Thrall教授開發(fā)了用于平面結(jié)構(gòu)的二維(2D)以及用于空間結(jié)構(gòu)的三維(3D)模塊化節(jié)點(diǎn)。

模塊化節(jié)點(diǎn)是由焊接件/腹板和法蘭盤組成的鋼節(jié)點(diǎn)連接件，可調(diào)螺栓鋼板連接是一種滑移臨界、雙剪、拼接連接，可按一定角度連接構(gòu)件，并能夠就地調(diào)整以實(shí)現(xiàn)多角度變化，或?qū)τ诎惭b和制造過程中出現(xiàn)的偏差進(jìn)行補(bǔ)償。該模塊化設(shè)計(jì)策略，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)結(jié)構(gòu)中重復(fù)使用，也可以用于許多不同的結(jié)構(gòu)，為構(gòu)件預(yù)制、安裝和建造帶來很大的便利性和可調(diào)節(jié)性，同時(shí)滿足長期檢修和維護(hù)的需求。為了進(jìn)一步確定模塊化節(jié)點(diǎn)和可調(diào)螺栓鋼板連接的性能，Thrall教授采用試驗(yàn)DIC測量技術(shù)和有限元的方法，分析了可調(diào)螺栓鋼板連接的連接鋼板的冷彎過程的應(yīng)變、螺栓預(yù)緊力和施加預(yù)緊力的順序?qū)B接鋼板應(yīng)變的影響、以及不同受力形式對連接節(jié)點(diǎn)殘余螺栓應(yīng)變的影響。研究結(jié)果表明，在節(jié)點(diǎn)板的預(yù)制和安裝過程中，連接板材預(yù)制過程中產(chǎn)生的應(yīng)變對其力學(xué)行為起主導(dǎo)作用；在節(jié)點(diǎn)安裝的過程中，每次擰緊一圈螺栓是最佳的螺栓安裝方式；推薦連接的角度變換不超過2.5°。通過大量的數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究，Thrall教授證明了模塊化節(jié)點(diǎn)和所提方法的應(yīng)用前景。

在介紹完節(jié)點(diǎn)板預(yù)制和預(yù)應(yīng)力程度、節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場安裝和螺栓預(yù)緊對可調(diào)螺栓鋼板連接力學(xué)性能的影響后，Thrall教授展示了他們通過試驗(yàn)對滑移行為和螺栓極限荷載所展開的研究?？紤]了鋼板彎曲方向、預(yù)緊力施加方法、荷載方向、鋼板的構(gòu)件角度等因素，為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度折減提供參考。

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最后，Thrall教授通過實(shí)驗(yàn)研究了該模塊化節(jié)點(diǎn)的極限強(qiáng)度，并將這種節(jié)點(diǎn)策略應(yīng)用于390ft跨度的橋梁，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)冗余度測試。她們使用有限元分析，分析了當(dāng)構(gòu)件D4出現(xiàn)破壞時(shí)，結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)動(dòng)力行為、短期動(dòng)力行為和破壞后結(jié)構(gòu)的靜力行為。產(chǎn)生的高速應(yīng)力波對相應(yīng)模塊化節(jié)點(diǎn)的沖擊。她們的結(jié)果顯示該設(shè)計(jì)可以很好的抵御一定程度的結(jié)構(gòu)破壞。

本次報(bào)告給我們的啟發(fā)是，以逆向思路將復(fù)雜問題“化整為零”分別研究，可以降低問題的復(fù)雜性。而面向不同目標(biāo)“集零為整”，又增加了問題的可調(diào)節(jié)性，這對于很多實(shí)際問題都是很受用的策略。此外，設(shè)計(jì)應(yīng)急結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)該盡量使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡潔，將安裝方式設(shè)計(jì)的簡便，方便這類應(yīng)急結(jié)構(gòu)在緊急情況下可以被快速搭建起來。

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相關(guān)文章請見Ashley P. Thrall教授主頁： https://athrall.nd.edu/

講座錄播鏈接：

【The SIR Frontiers】學(xué)術(shù)前沿系列講座第四十三期：“面向韌性和快速拼裝鋼結(jié)構(gòu)建造的新型模塊化節(jié)點(diǎn)“_嗶哩嗶哩_bilibili

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來源于多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室VSL

撰寫：解兵林 姚顯花 毛煒寧

排版：馬文千

審核：胡??楠