走访山东建筑大学张鑫教授团队

2023年4月14日上午，《建筑结构学报》编辑部一行5人走访了山东建筑大学张鑫教授团队。团队带头人张鑫教授及团队骨干成员赵考重教授、岳庆霞教授、刘巧玲教授、闫凯教授、夏风敏副教授、李书蓉副教授、赵而年副研究员等参加了交流活动。

   

交流现场

   

合影

张鑫教授首先代表山东建筑大学建筑结构加固改造研究团队对编辑部的到访表示了热烈欢迎，对研究团队基本情况进行了简要介绍。

山东建筑大学张鑫教授团队依托建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室、山东省建筑结构鉴定加固与改造重点实验室、山东建筑大学工程鉴定加固研究院等平台，长期从事既有结构加固改造的研究，在既有建筑物移位与加固改造、建筑物纠倾、既有建筑地下空间开发等方面取得系列研究成果，并应用于实际复杂工程中，取得了显著的经济效益和社会效益，建成了成熟的产学研一体化平台。

研究团队负责人张鑫教授，博士生导师，教育部“建筑结构移位与加固改造”创新团队带头人、新世纪百千万人才工程国家级人选、泰山学者特聘专家、享受国务院政府特殊津贴、山东省有突出贡献的中青年专家。担任建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室主任、山东省建筑结构鉴定加固与改造重点实验室主任、山东省土木结构诊断改造与抗灾示范工程技术研究中心主任、山东省高校土木结构防灾减灾协同创新中心主任、山东省装配式建筑工程实验室主任、山东建筑大学工程鉴定加固研究院院长、同济大学兼职教授等。兼任山东土木建筑学会理事长、中国土木工程学会常务理事、全国建筑物鉴定与加固标准技术委员会副主任、中国建筑学会抗震加固改造技术专业委员会副主任等。

团队现有56人，其中教授12人，研究员2人，副教授8人。团队主持国家自然科学基金重点项目1项，国家自然科学基金面上、青年项目16项，国家重点研发计划课题等国家和省部级基础研究课题20余项。获国家技术发明二等奖1项、省部级一等奖2项、省部级二等奖8项。主编/参编标准16部、出版专著2部。主持完成包括国内外最大建筑物移位工程、首例扇形布车移位工程、高层建筑纠倾工程等典型工程200余项。

     

     

团队主要成员

随后，对团队的研究工作和主要研究成果及在重大工程中的应用进行展示，具体如下： 

针对建筑结构移位工程中的结构托换、牵引控制与实时监测、就位连接三个阶段的关键技术，系统研究了托换结构的受力性能与破坏机理，建立了托换结构的力学计算模型，构建了托换结构设计方法；研究了建筑结构在平移过程中的牵引力变化规律，提出了移位牵引力计算方法，研发了建筑结构移位测控系统及移位专用牵引设备，实现移位同步和自动控制，攻克了牵引过程不连续的难题；提出移位建筑组合隔震支座就位连接新方法；研究了建筑物远距离拖车移位相互作用设计方法；形成了建筑结构移位技术体系，完成多项移位示范性工程。

揭示了托换结构的受力机理和移动过程中托换结构的内力变化规律，通过试验研究和理论分析，建立了托换节点的理论计算模型和承载力计算公式( λ =0.5~1.0)：

     

（1）

     

（2）

式中： b 为托换梁截面宽度； h ₀ 为托换梁有效高度； f _t 为混凝土轴心抗拉强度设计值； f _yv 为箍筋的抗拉强度设计值； A _sv 为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积； s 为箍筋间距； λ 为剪跨比，为支座合力点至柱边距离与托换梁有效高度之比； ρ 为托换梁纵向受拉钢筋配筋率，大于1.5%时，取1.5%； β _s 为系数，纵筋采用HRB335、HRB400级钢筋时，取66。 h _j 为托换梁与柱结合面高度； N 为柱轴力设计值； C _j 为托换柱截面的周长。

   

   

   

托换节点试验与理论研究

针对移位过程牵引与控制各关键环节，阐明了牵引力变化规律，通过试验研究和现场实测，发现牵引力与建筑物重力荷载、轨道平整度、滚轴直径等因素有关，在此基础上提出了牵引力计算公式：

     

（3）

式中： F 为牵引力； k 为综合调整系数，取1.5~2.0，根据滚轴压力、滚轴直径(40~100 mm)和轨道平整度三者综合考虑，滚轴压力大、直径小、轨道平整度差时取大值； f 为摩阻系数，滚动（钢滚轴）取0.05，滑动（聚四氟乙烯）取0.1； G 为建筑物的重力荷载。

自主研发了基于建筑物重力荷载和摩阻系数的移位测控系统及其同步自动监测技术，实现了建筑结构移位同步自动控制。研发了与该测控系统相匹配的建筑物移位牵引设备，避免了反力支座移动或垫块不断更换（传统方法）。实际工程监测发现：测控系统使移动过程中监控点位移差与监控点距离之比小于1/1000；就位最大位移差小于10mm，为传统方法的1/4；移位速度可达2.0~3.6m/h，比传统方法提高50%以上。

   

提出了将行走装置（滑块或滚轴）与橡胶支座相结合的组合隔震支座，揭示了组合支座的受力机理，提高了移位建筑物的抗震能力，解决了历史建筑抗震加固影响原有风貌的难题。另外，利用行走装置（滚轴、滑块）作为组合支座的组成部分，降低了工程造价。例如：济南宏济堂药店西号（建于1920年）移位保护工程，采用聚四氟乙烯滑块作为行走装置，与橡胶支座形成组合隔震支座，经地震响应分析，移位后形成的组合隔震结构与移位前相比地震剪力减少60%，隔震效果明显，避免了上部结构的抗震加固，保持了建筑物原有风貌。

   

提出拖车移位成套技术体系。建立了拖车车板、托换结构及上部结构协同受力的分析方法，模拟了移位建筑物装车与运输过程受力状态。

   

上述研究成果兼具理论创新性和工程实用性。发表学术论文50余篇，其中SCI、EI收录20余篇。相关研究成果获国家技术发明二等奖1项、教育部技术发明一等奖1项、教育部科技进步二等奖1项和山东省科技进步二等奖2项。主编了国家行业标准JGJ/T 239—2011《建（构）筑物移位工程设计规程》，“建筑物移位改造工程新技术及应用”获2014年度国家技术发明二等奖。

   

主编规范及获奖证书

主持完成移位工程48项，其中历史建筑19项。其中山东莱芜高新区办公楼移位项目，建筑面积24000 m ² ，移位质量35000 t；济南经八纬一老别墅整体移位达28 km，为拖车移位建筑；湖南长沙湘江宾馆历史建筑移位工程；海南英迪格酒店拖车移位，建筑面积8000 m ² ；海南红塘湾酒店拖车移位，建筑面积4658 m ² ，质量7500 t，属不规则扇形车辆布置拖车移位项目。

   

研发了粘贴碳纤维布的磷酸镁无机胶，确定了耐高温的磷酸镁无机胶最优配合比，揭示了磷酸镁无机胶高温下性能退化规律。进行了磷酸镁无机胶粘贴碳纤维布常温和高温下的面内剪切试验，得到了其粘贴碳纤维布（CFRP）加固黏结强度、锚固长度、黏结层数等参数，建立高温下/后剩余黏结性能的计算模型，提出高温下/后有效黏结长度计算公式。

   

   

针对高层建筑掏土纠倾法破坏机制、精确纠倾控制方法、顶升纠倾托换结构、监测与控制系统等关键科学技术问题，通过系统地研究，发明了掏土-灌水纠倾法，揭示了掏土孔塑性区发展机理，发现了基于土拱效应的掏土孔破坏机制，建立了掏土孔塑性区半径计算公式，提出了纠倾极限状态设计方法，建立了掏土纠倾成套设计方法，实现掏土纠倾的精确设计，提高纠倾施工效率30%~40%。

   

研究了具有相对位移的托换结构的受力性能与破坏模式，得到了其承载力计算公式；研究基于刚度的顶升纠倾托换结构的设计方法，提出了上部结构与托换结构刚度比建议值；研发了顶升纠倾同步控制系统，发明了顶升自动跟进装备，实现了顶升位移的精确控制，同时实现了各点不同顶升位移，达到精确顶升纠倾的目的。研发了纠倾工程健康监测与控制系统，提出考虑土结相互作用机理的监测系统优化布置方法，提出回倾速度、回倾量阈值等纠倾控制标准，降低纠倾工程风险。

   

主持完成了100余项建筑物纠倾工程，其中高层建筑纠倾工程17项。如广西柳州某住宅楼32层，建筑面积2.7×10 ⁴  m ² 。

   

针对老旧小区缺少地下停车场，既有建筑地下空间亟待开发等社会重大需求，通过理论分析、模型试验、数值模拟和现场原位测试，揭示了桩周土开挖条件下的上部荷载的传递规律以及桩基稳定性变化规律，提出了基于虚拟嵌固点法的桩基稳定性计算公式；阐明了托换承台和托换梁的受力机理；发明了多项地下增层方法和装备，形成成套技术。

提出了在原框架柱周边设置托换桩或与原框架柱间隔设置托换桩，并通过托换承台或托换梁与原竖向构件连接，支撑上部结构后开挖土方，施作地下室。该方法克服了既有建筑竖向构件不能直接向下延伸形成地下室竖向构件的难题。

   

在地下室施作过程中，随着桩周土的开挖和桩身的暴露，桩的稳定性会降低，严重时会影响建筑物安全。开展了钢管桩和钢筋混凝土桩在桩周土开挖条件下稳定性变化规律的研究。提出了基于“虚拟嵌固点法”的桩计算长度系数公式：

     

（4）

式中： μ ₁ 、 μ ₂ 分别为桩底嵌固和铰接时计算长度系数； T 为桩土作用特征参数；为桩顶约束对等效嵌固深度的影响系数； h ₀ 为临界入土深度； h 为实际入土深度； h ₁ 为桩的外露长度。

开展了桩身设置侧向支撑稳定性的试验研究。基于试验，发明了托换桩设置侧向支撑提高稳定性的方法，为桩周土开挖不满足稳定性要求时提供技术支持。

   

相关研究成果获2022年度山东省技术发明二等奖、2012年度华夏建设科学技术奖二等奖。取得国家授权发明专利20项，在学术刊物上发表论文30篇，其中EI收录15篇，主编山东省规程DB37/T 5212—2022《既有建筑地下增层技术规程》该研究成果为缺少地下停车场的既有建筑解决了停车难问题，同时提高了既有建筑的安全性，节约了土地资源，具有显著的经济效益、社会效益以及广阔的推广应用前景。

   

主编规程及获奖

针对传统叠合板中的预制板较厚、自重大、不利于运输和现场吊装等问题，研发了钢管桁架预应力混凝土叠合板。该板将上弦纵筋改为钢管混凝土，预制底板的受力纵筋替换为预应力钢丝。研究了钢管桁架预应力混凝土叠合板在施工阶段和使用阶段的力学性能，进行了竖向静力加载试验，得到了跨度、预应力钢丝根数、钢管直径和腹杆间距对钢管桁架预应力混凝土叠合板力学性能和支座锚固形式、搭接钢筋配筋率和叠合层厚度对钢管桁架预应力混凝土叠合板力学性能的影响规律，确定了钢管直径、桁架腹板间距和叠合层厚度最小要求，建立了钢管桁架预应力混凝土叠合板的设计方法。基于研究成果，主编了中国工程建设标准化协会标准T/CECS 722—2020《钢管桁架预应力混凝土叠合板技术规程》。目前该技术已推广至15个省市，应用面积达7×10 ⁶  m ² 。

   

基于钢管桁架预应力混凝土叠合板的优势，考虑预制板在剪力墙中的受力特点和施工方便，研发了一种新型预应力混凝土钢筋桁架叠合剪力墙。对其进行了试验研究、理论分析和数值计算，揭示了预应力混凝土钢筋桁架叠合剪力墙的抗震工作机理，研究了剪跨比、轴压比、边缘约束构件形式、水平预应力筋等设计参数对其抗震性能的影响规律，建立了预应力混凝土钢筋桁架叠合剪力墙的承载力计算公式。

   

通过交流学习，增进了《建筑结构学报》编辑团队和山东建筑大学张鑫教授团队的相互了解，期待今后开展更多的交流合作。

本次学术走访活动得到了山东建筑大学张鑫教授及其团队的大力支持和周到安排，《建筑结构学报》编辑部全体工作人员深表谢意！