[01222538]高层建筑地震损伤分析与控制研究及工程应用

1、课题来源与背景 课题来源：国家自然科学基金项目及天津市应用基础与前沿技术研究计划项目。 高层建筑的日益复杂化对现代结构科学和技术提出了严峻的挑战,尤其在灾害性地震作用下,对高层建筑安全性提出更新的、更复杂的要求。我国是世界上地震灾害最为严重的国家之一,而我国许多新建和在建的高层建筑正面临着潜在的地震破坏威胁。由于对结构地震破坏机理缺乏深刻认识,对结构防震减灾缺乏有效途径,即使经过抗震设计的建筑结构仍会发生破坏甚至倒塌。因此,掌握高层建筑在强震下的损伤演化规律,揭示其地震失效机理,提出高层建筑地震失效模式优化与大震非线性损伤控制理论与方法,提高高层建筑在地震下的抗倒塌能力,是现代化城市抗震防灾能力的最重要体现。 本项目围绕高层建筑抗震安全重大科技需求,瞄准防灾减灾研究国际前沿,在高层建筑结构强震非线性损伤分析与评估、地震失效模式优化及非线性地震损伤控制等方面取得了创新性突破,为提高我国高层建筑的抗震能力提供坚实的理论基础,为保障我国高层建筑的安全建设和运营提供科学支撑,具有重大的科学意义、社会意义、经济意义和广阔的应用前景。 2、技术原理及性能指标 分层次建立钢柱、钢筋混凝土柱、剪力墙损伤模型,提出考虑损伤累积效应的地震倒塌全过程模拟分析方法,能较好模拟地震作用下结构的倒塌破坏全过程,揭示其倒塌机理,实现了强震下从构件尺度损伤到整体结构失效的损伤演化过程分析,混合结构强震动力灾变模拟分析。 提出基于失效概率的结构地震失效模式识别、基于遗传算法的复杂结构地震失效模式多目标优化设计方法。节约造价的同时整体抗震性能显著提高,有效避免了复杂结构不合理失效模式,实现结构大震失效模式可控的目标。 提出半主动多步预测控制算法,开发有限元半主动控制平台,建立高层建筑非线性地震损伤控制的理论与方法,振动台试验验证了应用于混合结构进行非线性地震损伤控制的有效性,实现控制系统与结构一体化的建模、分析与设计。 3、技术的创造性与先进性 针对现有损伤准则及损伤指数演化过程不能直接参与到结构后续的动力分析中,现有平面结构倒塌研究对于复杂结构分析不够准确等技术问题,本项目分层次建立构件及整体结构损伤模型,能在整体分析中有效评估构件及整体结构损伤程度。建立非线性地震损伤分析与评估方法,较好模拟地震下结构的倒塌破坏全过程,揭示倒塌机理,实现强震下从构件尺度损伤到整体结构失效的损伤演化过程分析,具有工程应用推广价值。 不同设防水准下、不同地震动特性下结构抗震性能的优化设计具有很大差异,当前高层建筑规模越来越庞大,导致即使经过抗震设计,地震下仍会发生破坏甚至倒塌,失效模式不合理且不可控制。针对上述问题,提出复杂结构地震失效模式识别与多目标优化设计理论与方法,有效避免了各抗震分体系不合理的失效模式,节约造价的同时提高整体抗震性能,实现结构大震失效模式的可控性。 现有半主动控制研究多数是针对线性钢结构弹性阶段地震响应控制的研究,而在强震下线性结构的状态空间描述已不再适用。针对上述问题,本项目开发了有限元半主动控制平台,实现了通用有限元程序对半主动控制结构进行强震非线性反应分析,解决了依赖MATLAB编程、仅能在线性空间进行半主动控制分析的技术难题,实现控制系统与结构一体化的建模、分析,便于工程应用,可推广至其他结构减震控制非线性系统中。 4、技术的成熟程度,适用范围和安全性 本项目研究成果应用范围为高层（复杂）结构强震非线性损伤分析与评估、地震失效模式优化与非线性地震损伤控制及设计。本项目建立的构件损伤模型、结构强震非线性损伤分析与评估方法、地震失效模式优化及非线性地震损伤控制方法可应用于大型建筑的抗震性能设计、分析、抗倒塌能力评价与减震控制中。项目成果已在7项复杂工程中的得到直接应用,包括复杂高层建筑、大跨空间结构、地铁高架车站结构、桥梁结构等,对结构的优化设计及抗震性能评价起到了重要作用,为结构的抗震安全提供了保障,取得了显著的经济效益和社会效益, 研究成果具有广阔的应用前景。 5、应用情况及存在的问题 建立的损伤模型及非线性损伤分析与评估方法、失效模式优化技术已成功应用于福州中旅城II期2栋高位转换高层建筑、福州海峡国际会展中心项目等7项大型建筑抗震性能优化与抗倒塌性能评价中,为结构的抗震安全提供了保障。下一步将重点关注基于智能算法的大型建筑失效模式识别与多目标优化方法,更合理的从概率、可靠度等统计学的角度进行优化设计,进一步提高经济效益,并在工程中应用和推广。 6、历年获奖情况 无。