研究方向一：土木工程病害诊断与评估方法
1.主要研究内容
土木工程病害诊断与评估是发现和避免设计、施工和运行期间土木工程质量缺陷及事故的有效途径。目前，对土工工程病害特征已有较为系统的总结，但对其病害机理及其与特征间的关联性认识不够清晰，相应的检测技术尚不完善，缺乏较为公认的病害判别标准与评估方法。针对常见的土工工程病害进行分类，深入剖析其成因机理，发展完善相应的检测技术，形成较为系统的评估方法，为保障土工工程建造质量和安全运行提供技术支撑。
两年期完成的主要研究内容：
（1）病害分类及成因机理
①研究空间钢管拱桁架结构的相贯焊接节点往返损伤累积性能规律及裂纹产生机理；研究钢结构节点螺栓松动、张拉结构索力松弛的损伤机理；开展在役混凝土桥和钢结构桥梁等铰缝损伤、环境温度变化、支座沉降等因素影响下结构的损伤机理研究。
②依托太行山高速公路全面调研道路病害现象（道路裂缝、磨损）及特征。采用自研足尺加速加载设备进行路面直道试验、车路耦合数值模拟，剖析了路面病害成因和特征，揭示其演化机理。
③开展储层和渗透阻砂试验后防砂介质物理力学试验和数值模拟，建立了防砂介质渗透性损伤预测模型，分析水合物试采时气-水流动致土层灾变出砂机理。分析温度与高温-水冷循环次数对花岗岩的破坏模式、表面破坏裂纹以及破碎程度的影响，探究考虑热-液-力耦合作用下深部干热岩钻井围岩灾变机理。
（2）病害识别及检测技术
①采用功率谱灵敏度法和模型缩聚法建立了结构损伤识别方法，将其应用于框架结构的节点损伤、铰接板桥梁的裂缝损伤和斜拉桥的索力损伤等研究，形成了基于动态响应功率谱灵敏度的损伤识别系统。
②基于河北省内G4京港澳高速、G5荣乌高速、邢台-临清高速以及京石高速道路病害类别，分析得到路面病害特征与成因机理的内在关联性，提出了病害识别的指标体系，建立了路面病害识别的优化模型；开发了病害识别指标的检测方法。
③采用伺服电机动三轴测试系统，研究应变控制下的动应力-应变曲线特征，对比分析常见的动剪切模量和阻尼比的确定方法，建议了土体动剪切模量和阻尼比的方法。
（3）病害诊断与评估方法
①依托玻璃栈道检测项目，进行结构的静载、动载作用下的承载力评估，建立了钢结构构件的强度、刚度、稳定性的评估指标；开展了市政桥梁的承载力检测工作，诊断并评估桥梁的运营状态，给出了桥梁状况等级和承载能力级别，并进一步提出维修建议。
②针对路面病害类别及成因机理，确定了橡胶沥青路面病害分级的判别标准，建立病害诊断指标体系、评价原则，提出病害评估方法，形成了病害诊断与评估的标准化工作流程，研发了道路健康监测可视化软件平台。
③提出岩土体渗流灾变的表征元-孔隙双尺度CFD-DEM流固耦合模拟预测方法，基于CFD开源计算C++库OpenFOAM和离散元开源计算C++库LIGGGHTS开发了相应的表征元-孔隙双尺度CFD-DEM耦合求解器，形成了渗流灾变的计算平台。
2.已经形成的关键技术
2.1病害分类及成因机理
（1）给出了钢结构节点螺栓松动、张拉结构索力松弛诱发性能退化及结构失稳的原因。
（2）归纳路面的典型病害特征，揭示了路面病害特征演化机理。
2.2病害识别及检测技术
（3）研发了利用动态响应和功率谱灵敏度进行结构健康检测和损伤识别的技术。
（4）建立基于模型缩聚的大跨结构结构频响函数损伤识别方法。
（5）建立路面病害分级的判别标准，提出病害诊断指标体系、评价原则，形成病害评估方法。
（6）建立路面病害识别的优化模型，构建路面病害识别的指标体系，提出路面病害识别指标的检测方法。
2.3病害诊断与评估方法
（7）研发道路健康监测可视化软件平台，制定路面病害诊断与评估的标准化工作流程。
（8）研发了确定土体动剪切模量和阻尼比的程序，对比分析了常见方法的差异，推荐给出了较符合实际的方法。
（9）提出了水合物开采的气-水流动的出砂模型，给出了防砂设计的思路和结构模型。
（10）提出了基于表征元-孔隙双尺度耦合的CFD-DEM流固耦合方法，开发了OpenFoam+Liggghts耦合的计算软件平台。
3.两年期产业化达成目标
（1）基于功率谱灵敏度法和结构结合频响函数法提出识别桥梁结构、框架结构和大跨结构等的损伤识别方法。
（2）构建路面病害识别的指标体系，提出路面病害识别指标的检测方法，制定病害诊断与评估的标准化工作流程。
（3）研发了土体动剪切模量比和阻尼比计算的软件。
（4）研发了基于OpenFoam+Liggghts开源软件的表征元-孔隙双尺度耦合的计算软件平台。
（5）发表学术论文25篇，申请国家专利4项，工程应用11项。
1.主要研究内容
土木工程智能监测能够及时发现施工质量缺陷、实时给出土木工程性状，并及时给出土木工程事故预警，从而有效采取控制措施和手段，避免土木工程缺陷和事故的发生，是实现土木工程安全建造和运行的关键环节。目前，土木工程施工和运行期的监测往往脱节，致使运行期监测缺乏初始状态值；监测手段和数据处理方法不够先进，致使监测指标不够全面，结果反馈实时性差，监测效能不够高。为此，研究土木工程材料施工质量和整体性能监测控制的前沿技术，开发材料质量和整体性能的智能监测数据分析及反馈控制方法，形成土木工程智能监测及控制的软件系统，为土木工程事故及时预警提供应用平台和工具。
两年期完成的主要研究内容：
（1）土木工程材料智能监测及控制技术
依托雄安新区荣乌高速新线工程，2020年申报立项了河北省交通厅科技项目“装配式桥梁节点高性能灌浆材料关键技术研究”课题。针对大跨径装配式桥梁施工期间，研究高性能的节点灌浆材料并进行施工质量监测技术，开展智能化的监测数据处理分析及反馈控制方法研究。编制灌浆材料材料施工质量控制标准。
（2）土木工程性能智能监测及控制技术
①依托河北北方学院体育馆弦支穹顶结构索力张拉施工及运营过程监测，研究索力施工优化方案；结合动态规划方法，完成河北省建设厅项目“张拉结构施工索力优化研究”；研究吊索施工顺序对主缆线形影响的关键技术，实现悬索桥施工过程的最优化；结合现有监测项目中的大数据，研究温度影响下的结构健康状态预警；结合保定东站京畿之门的动态监测数据，对结构状态进行阶段性的评估。
②研究采用线型监测、埋入式应力应变监测与先进毫米波雷达监测技术，运用机器学习、图像识别，进行施工方案优化布设，建立了高效安全的数据采集、数据传输、数据存储模块，提出了连续变截面箱梁装配式结构复杂的结构损伤识别方法，并确定了预警阀值，结合毫米波实时监测数据，研究实时监测的智能分析方法，实现动态反馈控制目标。
（3）智能监测及控制集成平台
①开发结构健康监测平台。发挥BIM平台的信息共享、实时可视化等特性，实现监测数据信息与BIM模型构件的动态关联；确定监测预警的报警阈值，为实时监测的预警提供参考依据；研究BIM技术、有限元分析和健康监测技术的融合应用到监测平台。
②开发沥青路面智能监测与控制平台。基于5G技术示范应用分析了道路与桥梁工程中沥青混凝土与水泥混凝土材料的性能差异环节，并对其进行监测，构建路面与桥梁工程监测数据的分析与评估模型，初步总结整理了沥青混合料材料和性能监测及控制技术，开发形成了沥青路面智能监测与控制平台。
2.已经形成的关键技术
（1）基于动态规划的过程优化思想，实现索力施工过程的优化。初步完成基于BIM+有限元的结构监测平台。
（2）研究高性能的节点灌浆材料并进行施工质量监测技术，开展智能化的监测数据处理分析及反馈控制方法研究。
（3）构建了连续变截面箱梁装配式结构复杂的结构损伤识别方法，并确定了预警阀值，结合毫米波实时监测数据，研究实时监测的智能分析方法，实现动态反馈控制目标。
（4）构建路面与桥梁工程监测数据的分析与评估模型，初步总结整理了沥青混合料材料和性能监测及控制技术，开发形成了沥青路面智能监测与控制平台。
3.两年期产业化达成目标
（1）开发智能化结构健康监测平台。
（2）提出动态规划方法应用到张拉结构施工过程中，优化施工工艺。
（3）集成沥青混合料材料和性能监测及控制技术，研发沥青路面智能监测与控制平台1套。
（4）发表学术论文5篇，申请国家专利3项，重大工程应用6项。
1.主要研究内容
土木工程全寿命评估与维护是保障工程安全运营的重要措施。目前全寿命评估多基于不同时间点的检测数据，未能及时发挥监测数据的作用，尚未实现实时评估，致使实际维护往往处于被动状态，错过维护的最佳时机，同时也缺乏对全寿命评估成果的深入分析，反馈改进设计规范，比如提升关键构件强度以延长使用寿命。本方向基于检测与监测数据成果，研究工程材料性能衰减的特征及规律，分析材料性能衰减对结构整体性能的影响，提出全寿命评估方法，结合全寿命评估结果，给出确定维护最佳时机的方法，开发相应的加固补强技术，并对设计进行反馈指导。
两年期完成的主要研究内容：
（1）工程材料性能衰减与评估
依托省交通厅“京德高速”、“荣乌高速新线”新建项目“永久路面研究”课题，采用微观测试手段，研究橡胶沥青混合料性能的衰减特征，结合试验成果，采用颗粒流软件建模，研究橡胶沥青混合料的性能衰减模式，分析影响橡胶沥青混合料性能的关键因素及其影响规律，提出橡胶沥青混合料性能衰减的实用评估方法。
（2）工程结构性能退化与评估
①依托省建设厅项目“基于KNN算法的桥梁实时健康监测技术研究”课题，利用KNN算法分析监测数据，综合运用支持向量机，小波包样本熵等智能算法，探讨利用长期监测数据的损伤识别手段，提升了预警阀值可靠性。
②基于装配式节点灌浆材料性能衰减特征及规律，采用埋入式应力应变监测方法，研究高性能灌浆材料衰减对节点性能的影响规律；采用数值模拟方法，分析节点性能衰减对连续变截面箱梁装配式结构性能退化的影响，确定影响结构安全的关键构件，提出连续变截面箱梁装配式结构时变可靠性评估方法，判定连续变截面箱梁装配式结构全寿命的安全性能。
③提出了考虑岩土体灾变的土工构筑物安全评估几何可靠性算法，该算法及软件已成功应用于各种基桩、抗浮锚杆和防洪海堤等的安全评价中。
（3）基于全寿命周期的结构维护
基于保定市黄花沟大桥监测数据，结合温度传感器，应变及加速度传感器数据，评估桥梁的运营状态。开发桥梁结构、大跨结构监测与性能评估平台，实时分析监测数据。结合京畿之门健康监测系统数据分析构杆件的内力变化和这动力学特性，提出该结构检修阶段的合理化施工建议。结合北方学院大跨悬支穹顶结构、保定市设计院承重网架的长期监测项目，分析温度变化、风荷载长期作用下结构性能的变化特性与结构性能退化特征，为全寿命周期设计和运维奠定了基础。
2.已经形成的关键技术
（1）结合监测大数据，建立了工程结构预警指标；采用智能算法，实时分析结构运营状态，实施评估结构健康状态，开发了适用于大跨空间结构和桥梁结构的智能监测平台。
（2）建立橡胶沥青混合料与高性能灌浆材料的性能衰减模式，提出材料性能衰减的实用评估方法。
（3）给出节点性能衰减对连续变截面箱梁装配式结构性能退化的影响规律。
（4）提出基桩静载监测数据常规处理与可靠性评估算法。
3.两年期产业化达成目标
（1）形成连续变截面箱梁装配式结构全寿命周期评估与维护技术指导手册1部。
（2）开发基桩静载检测数据常规处理与可靠性分析软件PileBetaG2.15
（3）发表学术论文16篇，申请国家专利3项，工程应用3项。
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