首都劳动奖章 张建民

发布时间:2018-03-28  访问计数:550


张建民教授,男,1960年出生,博士,清华大学教授、博导、土木水利学院院长。曾任清华大学岩土工程研究所所长、水利系主任、土木水利学院副院长、院党委书记和院学术委员会主任。现兼任中国水力发电工程学会副理事长、中国土木工程学会土力学及岩土工程分会理事长、中国振动工程学会土动力学分会理事长、中国建筑学会地基基础分会副理事长、《地震工程学报》编委会主任、《岩土工程学报》编委会副主任等。

30多年来专心从事土动力学与土工抗震研究,紧密结合我国高土石坝、地铁、港航等重大工程结构抗震设计实践,将土工抗震的研究对象从以往的只针对“土体”提升到更注重“土体与结构系统”,对带有基础性的三个关键工程科学难题展开了长期深入研究,完成了试验设备、测试技术、理论模型、模拟方法到工程应用的系列创新,建立了一个以“土体与结构动力相互作用”为核心的现代土工抗震理论与技术体系,构筑了动力试验和动力计算两个技术平台,为提升土工抗震的测试、计算和设计能力做出了重要贡献。获国家技术发明一等奖1项(排名1)、国家科技进步二等奖1项(排名1)、省部级科技进步一等奖3项(排名112)和光华工程科技奖工程奖。授权发明专利22项,发表SCIEI论文150余篇。成果被国内外多部设计规范指南和学术专著采纳,应用于70余项工程设计。主持编写国家标准《城市地下结构抗震设计规范》,参编抗震设计规范标准5部。他是我国土动力学的学科带头人和现代土工抗震理论与实践的开拓者。主要学术贡献如下:

一、建立了结构与土体接触面静动力学理论与测评技术,使接触面力学行为的测定与评价实现了从过去的半经验到科学、合理和实用化的显著提升。结构与土体接触面在高土石坝、建筑、交通、港航、海洋及军事工程中广泛存在。因接触面处易于发生应力集中甚至非连续大变形,是制约工程结构设计的技术瓶颈和安全控制的最薄弱环节之一。工程实践中的接触面具有显著的多样性,以往对其力学行为既缺少有效测试手段更缺乏规律性认知,成为建立现代土工抗震理论的一个基础性重大工程科学难题。经过20多年紧密结合工程需求的深入研究,取得如下原创性成果:

1)发明了整机真三维接触面加载技术、高精度接触面法向控制技术和柔性接触面测试技术,研制了大中小型配套的高精度接触面静动力学试验设备,填补了国内外在此系列试验技术上的空白。

2)研发了接触面微小变形、大变形、接触面内土颗粒运动、土颗粒破损及物态演化等变位测试技术,通过精确测定首次发现了土体与结构接触面是有厚度的(为土平均粒径的5-6倍)。

3)发现了支配结构与土体接触面静动力本构响应的物态演化律、强度律、剪切律、剪胀律和压缩律等五项基本规律,建立了接触面力学建模理论框架和三维弹塑性动本构模型以及具有不同精度的系列简化模式,提出了系列化接触面数值模拟技术。

4)阐明了土性、结构面板和加载方式等三类十多种主要因素对结构与土体接触面静动力学特性影响的基本规律和物理机制,建立了实用的接触面力学试验数据库。

国际土协前主席Pinto教授对本成果评价:“成功地建立了一个具有原创性的各种结构与土体接触面力学性态测试和评价的理论及技术平台”。成果已应用到糯扎渡、双江口、古水、如美等特高土石坝、深中通道人工岛、洋山港深水码头等港航工程以及建筑、地铁、海上风电等国内外大型工程结构静动力设计论证。

二、建立了土体三维地震变形预测理论与技术、包括地震液化大变形本构理论及零有效应力状态算法,攻克了地震液化大变形难以合理评价等技术瓶颈。如何预测和减小土体地震变形、特别是地震液化大变形对各类结构抗震安全性的影响,是土工抗震设计迫切需要解决的又一重大工程科学难题。为此重点结合高土石坝、深港码头结构、地下结构抗震设计需求展开了系列研究,以揭示和描述“三维地震变形规律”为核心,形成了现代土工抗震理论与技术体系的重要组成部分:

1)揭示了以固态、液态和临界状态三种基本物态在时间域上瞬态交替变化为核心的砂土地震液化大变形产生和发展的物理机制,建立了液化大变形本构建模的通用理论框架和三维弹塑性动本构模型,提出了适用不同精度要求的简化模式和具有显著稳定性的零有效应力状态数值算法,克服了以往经验性粗略估计的缺陷。

2)提出了地震动三维非一致输入的波函数组合法,建立了适用于粗细不同土类的动本构模型、多组分混合料本构模型、粗粒土覆盖层液化变形动本构模型、挤压式边墙等效数值模型、动强度破坏准则等三维系列计算理论模型体系,构筑了针对高土石坝等土工构筑物的动力分析计算技术平台。

3)研制了当时国内外加载能力最大的200吨大型双向振动三轴仪、100吨大型多轴压扭动力加载试验机、离心机振动台等成套动力试验设备,形成了多功能先进的土动力试验测试技术平台。

有效地解决了土体地震液化大变形合理预测、高堆石坝挤压式边墙模拟等系列抗震设计难题。成果已应用到日本东京湾横断道路、洪都拉斯高桩码头等可液化地基中结构抗震优化设计,马来西亚巴贡、紫坪铺、茨哈峡、三板溪、金川、公伯峡等20多座高面板堆石坝抗震设计以及拉西瓦库区高边坡抗震安全性评价。亦被国内外许多专家和设计单位应用于工程实践。

三、建立了多层次土体与结构动力相互作用理论与分析技术,提出了非极限状态地震土压力理论公式及算法,解决了浅埋结构地震时土层抗力评定等难题。如何评价结构与土体的动力相互作用、特别是如何评定地震时结构上作用的土层抗力(亦称地震土压力),是结构抗震设计中长期没有解决好的关键科技难题之一,亦是现代土工抗震理论研究的核心内容,取得的新成果包括:

1)针对实际抗震设计中存在的小变形到大变形问题的不同,建立了多层次的三维结构与土体动力相互作用理论及实用动力分析方法,开发了大规模高性能计算分析软件,形成了计算技术平台。

2)提出了考虑三维土体与结构动力相互作用效应的实用计算分析方法以及可考虑地震弱化或液化影响的浅埋结构地震土压力、隧道纵向震动弯曲变形、隧道横断面震动剪切变形的实用算法,弥补了现行规范方法的不足,被相关设计规范所采纳。

3)建立了非极限状态地震土压力理论公式及实用算法,可用于计算从主动状态到被动状态之间的任意侧向位移条件下挡土结构与浅埋结构上作用的地震土压力和土层抗力,解决了国内外常用公式(如物部-冈部公式)不能计算非极限状态地震土压力的难题,填补了结构抗震计算中一个长期存在的缺项。日本岩土工程学会前会长Yoshimi教授在专著中重点介绍本成果,指出其比经典土压力公式具有更广泛的适用性。国家标准《构筑物抗震设计规范》依据本成果增设了“挡土结构”一章。

成果已应用到北京、沈阳、西安地铁等浅埋结构的抗震优化设计,以及天津、上海、大连、深圳等地的大型港工和围海结构抗震防浪优化设计;关于地震土压力的成果,已应用到浅埋地铁车站、建筑物基础边墙等地下结构以及水工高挡墙结构的抗震设计。

张建民教授学风正派,品行端正,善于合作,勤于创新,甘于奉献。他热爱教育事业,已培养博士26名、硕士11名、博士后10名。热心推动学术交流,担任国内外学术会议主席或副主席37次、其中国际会议10次。热诚组织和参与公益活动,积极倡议推动成立了张光斗科技教育基金会并担任秘书长,历时十余年负责建成了国内外大型原状岩石标本种类最多的“清华大学地质之角”。获国务院特殊津贴专家以及清华大学学术新人奖、青年教师教学优秀奖、研究生良师益友、清华大学我最喜爱的老师、茅以升科学技术奖-青年奖、宝钢教育基金会优秀教师奖、北京市师德先进个人、北京高校优秀共产党员、第四届潘家铮奖、第七届全国优秀科技工作者、第十一届光华工程科技奖-工程奖等荣誉。

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