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用钢铁撑起一片蓝天:吴兆旗校友

发布:2013-04-26 11:03:05   点击数:1355

  《科学中国人》2013-03-27 (朱文丽)报道:用钢铁撑起一片蓝天——记福州大学结构工程专业副研究员吴兆旗。

  他是一个平凡的人,普通衣食,忙忙碌碌,兢兢业业;他又是一个不平凡的人,开拓创新,年轻有为,激情澎湃。他是一个大学老师,三尺讲台,挥洒汗水;他又是一个建筑钢结构抗震研究专家,百丈高楼,心系安全。在他的世界里,他用钢铁撑起了一片蓝天。他就是福州大学土木工程学院副研究员、硕士生导师吴兆旗。

说起自己的研究方向,吴兆旗兴致勃勃,侃侃而谈。他主要从事钢结构、钢混凝土组合结构、建筑结构抗震性能评估与加固、结构健康检测与信息处理等方面的研究,还讲授钢结构设计原理、建筑钢结构设计、钢结构课程设计、高等钢结构设计原理、高等组合结构原理等研究生与本科课程。

  播种汗水,收获金黄

  2008年,吴兆旗从哈尔滨工业大学结构工程专业获得工学博士学位,结束了他的学生生涯。二十几年的求学路,从表面看来吴兆旗一路走得很顺畅,但背后他也付出了很多艰辛的努力。又经过在福州大学土木工程学院的几年努力,如今的他更加成熟了。老天不负有心人,社会认可了他的努力,他也收获了无数的荣誉。目前他主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金和福建省自然科学基金等科研课题6项;作为主要成员参与十二五国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金项目、教育部博士点科学基金项目、福建省杰出青年科学基金和住房与城乡建设部项目共6项;获得福建省科技进步二等奖1项、国家专利3项授权,发表相关学术论文40余篇,其中SCI、EI、ISTP检索20余篇,编著1部,参编教材1部。

  谈到当前研究的重大的科研项目,吴兆旗略显激动,但语气很坚定。钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观等一系列优点,与混凝土结构相比它是环保型的和可再次利用的,也是易于产业化的结构。随着近年来我国钢材产量逐年攀升,钢结构产业由长期以来实行的“节约钢材”已转变为“合理用钢,鼓励用钢”的积极的政策,尤其鼓励钢结构在建筑工程中的应用。然而,建筑用钢结构占我国钢结构产量的不足5%,而发达国家建筑用钢材占钢材总量的10%以上,美国日本等国家更达到30%左右。可以看出,我国建筑用钢材用量严重偏低,且绝对量相差非常大,我国钢结构发展具有较大的空间和潜力。多高层钢结构框架中,典型的梁–柱连接是梁翼缘与柱对接焊、腹板与柱子利用高强螺栓连接。过去一直认为该节点具有良好的抗震性能,然而,在1994年的北岭(Northridge)地震和1995年的阪神(Hyogoken Nanbu)地震中,采用这种节点的数百栋钢结构建筑虽然没有倒塌,却有很多在节点部位出现了严重的脆性破坏。典型的破坏方式是梁下翼缘与柱子之间的全熔透焊缝出现裂纹,然后裂纹根据连接细节的不同沿着不同路径发展。

      此后,众多的研究者在对传统梁–柱节点破坏原因和破坏机理研究的同时,基于抗震要求提出抗震性能更加优良的梁–柱节点形式。新提出的这些抗震性能优良的梁–柱节点多是“强节点,弱构件”抗震思想的深化。尽管这些改进的梁–柱节点在试验室中表现出优越的抗震性能,但是由于其抗震设计思想是基于框架主要构件框架梁提供塑性变形,应用这些节点的实际工程若受到破坏,修复相对困难。针对传统钢结构梁–柱连接节点地震中容易发生脆性破坏,改进梁–柱连接节点震后不易修复等问题,基于被动控制思想,吴兆旗在传统梁–柱T形件连接的基础上提出一种新型节点构造,其特点是把传统T形件连接节点与梁下翼缘相连的T形件作为耗能元件,提供节点转动所需塑性变形;使梁上翼缘作为转动中心不发生较大的位移从而保护其不发生破坏;在T形件翼缘与柱翼缘之间设置垫板,使T形件翼缘能够向正反两个方向发生弯矩屈服从而增大其耗能能力。耗能T形件处于梁翼缘下部,破坏后易于更换;梁下翼缘通过T形件直接与柱子相连,没有增加梁的高度,对梁的整体稳定有利。

  该项目针对所提出的新型梁–柱连接节点,研究T形件形状优化、节点转动刚度、承载能力、延性、滞回性能、耗能能力、破坏模式等,建立便于工程应用的设计方法和节点滞回模型。此项目实施将能改善钢结构梁–柱连接节点在地震中易出现脆性破坏和破坏后修复困难的现状,对钢结构在地震区的推广、应用具有重要的理论意义与实用价值。

  执着探索,造福社会

  自从博士毕业后,吴兆旗就开始了在福州大学的教学生涯。这三年半来,他一直在努力,努力教学,努力做科研。“做建筑结构抗震性能研究,我不能算是专家,只是为社会贡献一点自己微薄的力量吧”,吴兆旗谦虚地说。他认为,既然国家培养了他,他就要尽自己的最大能力去回报国家,造福社会。他是这样说的,也是这样做的,从他的研究中就可见一斑。

  我国现实状况是人多地少、土地紧缺,人均耕地占有面积不足世界平均水平的1/3,致使城市建设用地稀缺。据此,国家“十一五”科技支撑计划支持节能省地型建筑的研发工作,大力发展高层和超高层建筑,提高建筑的容积率,以缓解用地紧缺和建筑面积需求不断增长的矛盾。随着建筑高度的不断增加和使用功能的日趋复杂,单一的结构形式已不能完全满足建设要求。钢-混凝土混合结构兼有钢结构施工速度快和混凝土结构刚度大、成本低等优点,被认为是一种与我国国情相符合的高层建筑结构形式,被大量用于我国的高层建筑特别是超高层建筑结构中。钢-混凝土混合结构中,楼面梁与钢筋混凝土筒体及外围框架柱的连接通常采用刚性连接或者铰接。刚性连接要求钢梁插入混凝土墙内的长度不小于2m,以便将梁的固端反力比较均匀的传递至墙身,同时由于梁需要跨越的距离较大,为满足受力要求需要较高的梁截面,不但占用使用空间的高度,还会使“强柱弱梁”的设计理念实现非常困难。铰接连接要求相对宽松,但梁需要跨越的距离较大时,除了要满足受力要求需要相对较大的梁高外,梁跨中挠度也常常难以满足要求;另外,楼面梁与钢筋混凝土筒体及外围框架柱之间采用铰接的结构整体性稍差。

  基于以上原因,一些学者建议楼面梁与钢筋混凝土筒体及外围框架柱之间采用半刚性连接的方式。由于半刚性连接具有良好结构性能和显著的经济效益,在过去的四十年中,钢结构连接的性能以及其对结构杆件和框架性能的影响已经成为一个具有非常吸引力的研究领域。特别是过去的30年中,国内外很多学者在这一研究领域开展了大量细致的工作。但研究大都集中在纯钢结构梁柱之间的连接,目前最为常用的楼盖结构是在梁上铺设压型钢板,其上浇注混凝土而成的组合梁楼盖,试验结果表明考虑楼板组合作用后节点的强度和承载力会有明显提高。随着理论和试验研究的不断深入,使得半刚性连接组合节点在工程实践中的应用成为可能。吴兆旗的研究对象主要是目前应用较多、施工方便的平端板连接组合节点,通过对该类组合节点在弯矩和拉力共同作用下的受力机理分析和对具有不同参数的连接节点的受力全过程进行研究,他提出了其在弯矩和拉力共同作用下的设计方法。此项研究工作的开展,不仅可以深入了解半刚性连接组合节点的工作性能,其研究成果可以为半刚性组合连接节点规范的制定提供理论基础和试验数据,也可以为半刚性组合节点在实际工程中的应用提供设计方法,有助于推动半刚性连接的钢-混凝土混合结构的研究和应用。

  吴兆旗的此项研究首次对钢-混凝土组合连接节点在轴力和弯矩共同作用下的性能进行研究,并利用大型商业通用有限元分析程序建立精细的组合节点模型,该模型可以考虑组合梁中混凝土板开裂和压溃、钢梁和混凝土板、钢柱和混凝土板的接触以及钢筋的滑移。

  在钢结构的领域里,吴兆旗找到了真正的自己,有汗水亦有欢乐,有艰辛亦有掌声。他凭着年轻气盛,带着踌躇满志,在科研的道路上,一步一步走得很坚定,也很优雅。他很年轻,未来的路还很长,相信他一定能为国家作出更多的贡献。


转自:今日哈工大