精于业 践于行——清华大学郭彦林教授采访手记
点击数: | 发布时间:2012-12-12
北京,酷暑七月。行走在清华校园,浓郁绿荫让人顿感清爽,满眼绿意令人倍觉舒畅。前人栽树后人乘凉,有多少名人大家为清华“自强不息、厚德载物”精神留下宝贵财富,惠泽后人,而后继者在前人精神指引下,踏实、务实的开拓着自己的那片“疆土”。此次,记者将要拜访的是清华大学土木工程系郭彦林教授,多年来,他潜心于现代钢结构设计理论与复杂钢结构施工控制技术的研究,由他作为第一完成人的两个项目先后获得2009年、2011年国家科学技术进步奖二等奖。
在清华大学为数众多、风格各异的建筑中,土木工程系所在的何善衡楼被映衬得如此平凡而低调。穿过一层大大小小的试验室,与众多高大、粗壮的钢构件擦身而过,来到试验室二层郭彦林教授的办公室。面积不大的办公室,除了办公桌就是书柜,还有贴在墙面的近年来国内重点钢结构工程图片,整洁,干净,透着温馨。我的采访就此开始。
 
郭彦林老师在办公室
 
漫语闲谈钢结构发展
 
近十年来,我国钢结构研究与应用发展很快,郭彦林老师结合自己的工作总结了建筑钢结构几大应用类型的发展现状以及他的课题组正在进行的部分研究工作。
一是轻型钢结构。轻型钢结构主要源于屋面围护材料的轻型化,导致承重结构直接采用焊接工形截面为主的轻型构件。目前普遍应用的具有良好抗震性能的门式刚架轻型房屋钢结构就是典型代表。
随着轻型钢结构的结构形式向多样化发展,一些更加优良的结构形式应运而生。由郭彦林老师作为主要负责人起草的协会标准《波浪腹板钢结构应用技术规程》已于2011年9月1日实施。这个规程引入了波浪腹板构件,具有节材节能等优点,是轻型钢结构在新时期的新发展。波浪腹板工形构件,是把平钢板辊轧成波浪形状再与上下翼缘焊接而形成的构件。由于腹板被辊轧成波浪形,其面外刚度有了很大提高,因而可以放宽腹板的高厚比限值,这样就可以把腹板做的高而薄,提高构件的抗弯承载效率。特别是作为受弯构件时,其构件跨度愈大,节省的钢材就越多。这是郭彦林老师课题组花费了几年时间,通过大量的试验与理论研究获得的成果。郭老师协助山东华兴钢构有限公司从国外引进了我国第一台波浪腹板自动化生产线,生产的构件已开始应用在某些钢结构工程项目中,预期将会被更加广泛的应用。
 
宝安体育场整体张拉试验现场
 
 
二是大跨度钢结构与空间钢结构。大跨度钢结构的发展主要表现为结构形式的创新与多样化发展。二十世纪七八十年代的大跨度钢结构主要以网架结构为主,现在新型空间结构日趋多样,如钢管桁架、弦支结构(张弦梁、张弦桁架及弦支穹顶结构等)、索穹顶、张拉整体结构体系等,都是钢结构与空间结构发展的主要方向。郭彦林教授课题组参与的宝安体育场钢结构工程,就是一个全新的张拉整体结构。从确定方案、结构设计到施工张拉,课题组均进行了大量的研究工作,提供了全面的技术支持。他倡导并坚持的定尺定长设计及施工张拉技术,避免了张拉到位后二次调节拉索预应力的繁琐工作,为类似工程设计与施工提供了范例。
三是高层建筑钢结构。高层建筑的结构设计不如空间结构变化丰富,但是抗震要求高,建设、运营成本高。围绕高层建筑的抗侧力及抗震设计,目前比较主流的提法是“消能减震”,即通过设置消能构件降低结构的地震作用。防屈曲支撑是一个优秀的消能减震构件,在大震或中震作用下可率先进入屈服,其饱满的滞回性能能有效地消耗地震输入的能量,同时又作为支撑构件为结构提供稳定的抗侧刚度,增强建筑的抗侧力性能,可以说是一物两用,因而在日本阪神地震与美国北岭地震后获得了广泛应用。
防屈曲支撑受力机理与设计方法的研究是郭彦林老师的一个重要研究方向,他是我国开展这一研究工作的最早学者之一。传统的防屈曲支撑,其外围约束多是钢与混凝土组合所形成的整体约束,混凝土与内核构件之间的制作精度要求高,制作与施工不便,遇到大吨位承载力时支撑做的又比较笨重,不利于运输和安装。源于工程实践的需求,郭彦林老师和他的研究团队研发了多种全新形式的装配式全钢防屈曲支撑构件。这种防屈曲支撑的外围约束由多个型钢构件或焊接构件通过螺栓连接而成,因而构件制作的十分轻巧,在现场组装及对接均采用螺栓连接,施工极为方便。郭老师指导的多名博士生对装配式全钢防屈曲支撑的受力性能与设计理论进行了系统研究,提出了外围约束构件的“捆绑”计算理论,有多篇论文发表。
 
大运会体育中心试验模型
 
 
研究方向与研究内容
 
谈到郭老师的研究方向时,他说主要包括两大部分。第一部分是新型钢结构性能与设计理论研究,主要包括:①大跨度钢结构及空间结构的体系创新、静动力稳定性能的研究;②高层钢结构新型抗侧力体系及抗震性能研究,包括各种钢板剪力墙、防屈曲钢板剪力墙、无粘结加劲钢板剪力墙、波形钢板剪力墙、装配式防屈曲支撑及其与钢框架结构相互作用的设计理论研究等;③新型轻型钢结构稳定设计理论及工程应用,主要包括波浪腹板钢结构及门式刚架结构、低层房屋冷弯薄壁型钢结构等;④大跨度拱形钢结构稳定承载力设计理论研究,主要包括实腹式截面拱形钢结构、腹板开孔截面拱形钢结构及管桁架拱形钢结构等。第二部分是复杂钢结构施工力学计算理论、施工控制创新研究,主要包括高层与超高层钢结构、大跨度钢结构与空间结构以及复杂张拉结构的施工过程一体化协同时变分析理论研究及工程实践。
继“现代钢结构稳定性关键技术研究与应用”项目荣获2009年度国家科学技术进步奖二等奖之后,“复杂钢结构施工过程时变分析及控制关键技术研究与工程应用”项目获得2011年度国家科学技术进步奖二等奖。作为这两个项目的第一完成人,郭彦林老师认为,获奖是对自己多年辛勤工作的肯定,也离不开学术界与工程界同行对自己的信任与支持。
“复杂钢结构施工过程时变分析及控制关键技术研究与工程应用”项目,是与施工紧密结合的研究内容,该项目已在国家体育场、深圳大运会体育中心、深圳市宝安体育场、南通体育会展中心、广东省博物馆新馆等30 多项复杂结构工程中得到成功应用,并发表学术论文100余篇,授权发明专利10余项,为推动我国施工力学计算理论与施工控制技术进步做出了贡献。该项目主要解决了三个方面的问题。
 
在鉴定会上发言
 
 
复杂钢结构施工过程一体化协同时变分析及计算理论。目前世界上已建成或在建的大型复杂钢结构工程项目主要集中在国内,得益于这一优势,郭彦林老师及其课题组相继在深圳市宝安体育场、国家体育场(鸟巢)、深圳大运会体育中心、南通体育会展中心、广东省博物馆新馆、首都机场A380机库、澳门多功能体育馆、天津泰达市民文化广场、央视新台址主楼及广州西塔等30余项复杂钢结构工程项目中进行专项研究与工程实践。针对以往施工过程仿真计算中将结构施工过程离散为孤立状态、割裂施工过程的连续性及施工体系各部分之间的相互作用等问题,郭彦林老师和课题组提出了“复杂钢结构施工过程一体化协同时变分析及计算理论”,真实地反映时间与空间域上施工体系(结构、边界条件、荷载、材料性能以及施工设施等)的时变性,能精确计算施工体系各部分之间的相互作用。
在复杂钢结构施工过程中,其施工方案是多元化的,有整体滑移、整体提升、整体落架、整体起扳、整体张拉等,结构也处于动态变化状态,结构形式在变,边界条件在变,荷载在变,甚至材料也在变化,“复杂钢结构施工过程一体化协同时变分析及计算理论”就是要把这个变化反映到一个结构分析模式中,并准确无误的将构件间的相互作用模拟出来;“一体化”是把施工过程中设计部分的永久结构以及施工过程相关的所有临时结构的变化过程,还有所有可能的外部作用建立在一个模型中,形成一个时变结构进行“全过程”分析。将数字模拟技术有效地应用到结构整体滑移、整体提升、整体落架、整体起扳、整体张拉等施工技术中,解决了一系列结构施工状态转化的力学求解难题,建立了准确评估施工方案和施工过程安全的数字化信息应用技术。比如在广州新白云机场机库、首都机场T3航站楼的屋盖整体提升中,这一技术的应用准确模拟了施工过程可能出现的偏差,确保整体提升安全、无误。
针对施工路径及施工变形发展过程特别复杂的结构,郭彦林老师和课题组建立了其结构施工过程三维动态变形预调值计算的多阶段综合迭代法,有效地解决了央视新台址主楼与广东省博物馆新馆变形预调值计算问题。
复杂张拉结构的施工误差分析与控制。对于复杂张拉屋盖结构,如果在施工现场根据索力测试结果调整索长以期达到设计预应力,将会严重拖延工期并增加成本。基于这一情况,郭彦林老师带领课题组在国内率先采用了定尺定长设计与施工技术,设计上抛弃了以往含有可调螺纹的索头形式,通过精确控制拉索的制作长度和锚固位置来保证张拉成型状态索力与设计值一致。课题组提出的基于可靠度理论的索长误差限值的计算与控制方法,用概率理论科学地处理了屋盖内大量拉索长度误差控制的非简单“叠加作用”,建立了该类结构的施工误差控制与验收标准,填补了该类结构施工验收标准的空白。首先依据索力对施工误差的敏感程度不同寻找主控构件,然后建立了索力变化量与误差随机变量的映射关系并得到可靠度指标,最后综合考虑误差敏感性和加工难度确定各类构件的误差限值。该技术在深圳宝安体育场屋盖张拉结构中得到成功应用。
结构焊接残余内力的数值评估方法与控制。焊接残余应力在单根构件截面上是自平衡的,不影响构件的强度计算,但是从结构层面上考量,对大型屋盖钢结构焊接合龙过程的数值分析结果以及曾出现的工程事故,正在逐渐改变人们对结构焊接残余内力危害程度的认识,重新审视这一藏在结构内部“附加内力”的不利作用。在深圳大运会体育中心体育场屋盖钢结构工程焊接合龙过程中,郭彦林老师发现了这一问题,并带领课题组进行了分析与研究,以“温度—应力耦合场单元”模拟焊接的热物理过程。首先通过模拟分析获得了单根圆管对接焊的残余收缩变形公式,再通过创立的“等量收缩法”将构件对接接口的焊接收缩变形引入到整体结构的焊接合龙分析过程中,揭示焊接收缩变形在屋盖结构内部产生的残余内力以及支承胎架反力的变化规律,为检验结构与胎架的安全提供了依据。课题组还开展了大型结构体系中焊接残余应力的评估与控制方法研究,可有效降低复杂焊接结构在施工和使用中由于焊接残余内力而导致的安全隐患,“大型复杂结构焊接残余应力的数值分析与评估是一个新课题,设计、施工都要重视这一问题,设计阶段尤其需要引起注意,以确保安全”,郭彦林老师这样说。
 
精于业 践于行
 
“土木工程虽然是一个传统的学科,但研究工作仍然需要创新思维,同时也要重视理论与实践相结合。研究工作需要潜下心来,踏踏实实去做,看准了的研究方向就不要动摇,坚持下去就一定会有收获,长期积累就会形成好的科研成果。”获得国家科学技术进步奖的这两个研究项目,是郭彦林课题组在现代钢结构稳定设计理论与复杂钢结构施工力学及控制技术领域的两个重要研究方向,也是近二十年科研工作的积累。
 “创新是研究工作的灵魂,研究工作要有前瞻性,但不能脱离实际。特别是土木工程学科的研究工作,一定要与工程实践紧密结合。”针对记者提出的“创新研究与工程应用之间关系”这一问题,郭彦林老师这样回答。当前阶段乃至今后,在我国在建或即将建设的复杂钢结构工程项目中,设计阶段要解决许多前所未有的技术难题,施工阶段更需要创新的施工技术,有效的办法就是通过创新的研究工作给出最佳的设计与施工方案,使它们在安全、经济、合理之间达到最佳协调。
作为一名研究型大学的教师,培养具有创新思想的博士与硕士研究生是其重要的责任,从工程项目中发现问题,提炼研究课题,提出有效解决方案,再把研究成果提升到更高的理论层面,进一步指导工程实际。郭彦林教授长期积累的这种良性有效的方法既受益于学生,也有益于工程实际,更切实体现了他精于业,践于行的科研品质。
 
和研究生在一起
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