华南理工大学土木与交通学院海外学者前沿讲座第四十三期，我们邀请到来自美国圣母大学土木环境工程与地球科学系结构工程方向Myron and Rosemary Noble冠名副教授Ashley P. Thrall。她的研究主要集中在可变民用基础设施的力学行为、设计和优化上，致力于开发具有可快速移动、拼装以及部署的模块化桥梁、避难所和建筑物。本次报告Thrall教授将为我们介绍了一种面向韧性和快速拼装钢结构建造的易于制造和安装的模块化节点和可调节的螺栓钢板连接。

在钢桥、钢结构和网格壳等结构的设计、制造和安装过程中，如何将构件安全有效的连接是至关重要的问题。传统的做法是先进行结构设计，再考虑如何设计连接件以满足几何和结构要求。这就导致了复杂连接构件的出现，比如节点板可能是没有效率的、易于出现耐久性问题并且难以检修和维护，网壳结构的节点连接件由于过于复杂而带来制造和安装的挑战，大大提高了经济成本。

针对这个问题，Thrall教授首先向我们介绍了她们的设计策略，即先设计简单的、易于制造和安装的模块化节点和可调节的基本构件单元，再来设计节点的连接形式，形成一种模块化的建造方法。这种方法的优点是可预制节点，应用拼接连接，连接件易于制造和安装，并适用于长期的维护和检修。Thrall教授开发了用于平面结构的二维(2D)以及用于空间结构的三维(3D)模块化节点。

模块化节点是由焊接件/腹板和法兰盘组成的钢节点连接件，可调螺栓钢板连接是一种滑移临界、双剪、拼接连接，可按一定角度连接构件，并能够就地调整以实现多角度变化，或对于安装和制造过程中出现的偏差进行补偿。该模块化设计策略，可实现单个结构中重复使用，也可以用于许多不同的结构，为构件预制、安装和建造带来很大的便利性和可调节性，同时满足长期检修和维护的需求。为了进一步确定模块化节点和可调螺栓钢板连接的性能，Thrall教授采用试验DIC测量技术和有限元的方法，分析了可调螺栓钢板连接的连接钢板的冷弯过程的应变、螺栓预紧力和施加预紧力的顺序对连接钢板应变的影响、以及不同受力形式对连接节点残余螺栓应变的影响。研究结果表明，在节点板的预制和安装过程中，连接板材预制过程中产生的应变对其力学行为起主导作用；在节点安装的过程中，每次拧紧一圈螺栓是最佳的螺栓安装方式；推荐连接的角度变换不超过2.5°。通过大量的数值计算与实验研究，Thrall教授证明了模块化节点和所提方法的应用前景。

在介绍完节点板预制和预应力程度、节点现场安装和螺栓预紧对可调螺栓钢板连接力学性能的影响后，Thrall教授展示了他们通过试验对滑移行为和螺栓极限荷载所展开的研究。考虑了钢板弯曲方向、预紧力施加方法、荷载方向、钢板的构件角度等因素，为节点设计强度折减提供参考。

最后，Thrall教授通过实验研究了该模块化节点的极限强度，并将这种节点策略应用于390ft跨度的桥梁，进行了结构冗余度测试。她们使用有限元分析，分析了当构件D4出现破坏时，结构的瞬时动力行为、短期动力行为和破坏后结构的静力行为。产生的高速应力波对相应模块化节点的冲击。她们的结果显示该设计可以很好的抵御一定程度的结构破坏。

本次报告给我们的启发是，以逆向思路将复杂问题“化整为零”分别研究，可以降低问题的复杂性。而面向不同目标“集零为整”，又增加了问题的可调节性，这对于很多实际问题都是很受用的策略。此外，设计应急结构时应该尽量使结构设计更加简洁，将安装方式设计的简便，方便这类应急结构在紧急情况下可以被快速搭建起来。

相关文章请见Ashley P. Thrall教授主页： https://athrall.nd.edu/

讲座录播链接：

【The SIR Frontiers】学术前沿系列讲座第四十三期：“面向韧性和快速拼装钢结构建造的新型模块化节点“_哔哩哔哩_bilibili

来源于多样化结构实验室VSL

撰写：解兵林 姚显花 毛炜宁

排版：马文千

审核：胡  楠