获奖项目名称:结构钢材循环软硬化理论和高性能钢结构低碳应用关键技术
主要完成单位:北京科技大学、同济大学、华东建筑设计研究院有限公司、同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司、重庆大学、清华大学、上海上实北外滩新地标建设开发有限公司、上海市机械施工集团有限公司
主要完成人:海乐天、包联进、吴宏磊、薛暄译、班慧勇、王彦博、季俊、赵鹤、朱博莉、陈洪兵、王能、代鹏、郭江然、丁鲲、吴晓风
二、项目背景
我国建筑与建筑业建造全过程碳排放占全国碳排放比重接近50%，其中建材生产运输占比超25%，建筑用钢铁材料碳排放占建材生产运输比例近52%，建筑钢结构的低碳化发展是实现我国“双碳”目标的关键任务。另一方面，新型服役环境和社会发展需求对钢结构提出了更高的性能要求，推动高性能钢材大规模工程应用是实现建筑钢结构“节能降碳”和“性能提升”的关键路径。然而，高性能钢材钢结构的力学行为与传统钢结构存在差异，其承载性能及抗震性能的准确分析，需要更高精度的材料本构模型和结构分析模型。另外，实现高性能钢结构的低碳发展需要兼具低碳效益的设计指标体系和理论方法。因此，本项目聚焦于结构钢材及构件复杂力学行为分析的基础理论，以及高性能钢材低碳工程应用的关键技术，通过物理建模、试验验证、数值模拟和工程应用，形成了一系列创新成果。
图1 项目研究内容与技术路径
三、创新成果
【材料性能模型】建立了结构钢材循环混合软硬化本构模型、高强度钢材三维屈服准则和滞回本构模型，提出了循环本构模型参数标准化校准方法，提升了对高性能钢材复杂力学行为的模拟精度。
【构件性能模型】构建了高性能钢材焊接构件的地震累积损伤模型、考虑复杂损伤演化机制的塑性铰滞回模型、剩余力学性能模型，实现了高性能钢材焊接钢结构地震损伤及剩余力学性能的准确预测。
图2 代表性创新成果
四、推广应用情况
项目研究促进了高性能钢材在数十项高层、大跨等建筑工程中的应用，实现了约6%的建造成本节约，推动部分项目实现隐含碳排放降低超过10%。通过本项目成果及高性能钢材在工程结构中的持续应用，对于减重需求高的超高层建筑、软土地基或临近地铁等沉降敏感性建筑、都市核心地段等提升得房率效益显著的建筑、工期缩短效益显著的建筑、绿色低碳目标定位高的建筑等，可进一步促进其轻量化、减量化、韧性提升，使用寿命延长，建材循环与再生利用，从而实现结构性能提升和全寿期碳排放量降低，具有深远的社会经济价值和广阔的应用前景。
图3 代表性工程应用
