动力荷载下基于全程耗能机制的钢结构性态与设计方法

本项目重点研究地震作用下钢结构体系的滞回耗能能力，将结构体系归纳为构件集承重与耗能功能于一体的“功能集成体系”和承重构件与耗能器件各自行使独立功能的“功能分离体系”。以具有“功能集成体系”特点的钢结构为主要对象，研究其材料、构件、不同构造的连接和结构体系的耗能特性、机理、耗能能力评估方法，获得如下重要结果：（1）首次实现了±10%大应变范围内的应力-应变滞回试验，揭示了在大应变范围内钢材应力-应变采用弹性-强化-塑性关系才能准确进行耗能能力评估；建立了适合大应变范围的钢材应力-应变滞回模型。标定了结构钢材基于微观机制的断裂模型的各项参数，可以追踪钢材直至发生延性断裂为止的全过程行为。（2）研究了钢板组合体弹塑性局部屈曲相互作用的规律，揭示了屈曲与塑性耦合条件下薄板的耗能机制在于面外弯曲造成的鼓曲区域局部耗能。建立了H截面和方管截面考虑板件弹塑性相关屈曲效应的宽厚比限值。建立了薄柔H截面钢构件屈曲后塑性极限承载力的计算方法和双向压弯条件下的极限承载力相关公式，计算精度显著高于欧洲规范。提出了“屈曲铰”概念和条件，验证了薄柔构件钢框架可实现有限延性，可在地震设防区采用耗能设计。研制了两种具有功能集成特点的钢构件：采用角钢部件的可更换区段耗能梁；分段集中耗能且失稳方向可控的柔性支撑。（3）揭示了典型节点的滞回耗能模式与特性，包括外环板对钢管柱节点域产生套箍拉结效应，有利节点域耗能；钢管混凝土柱-钢桁架连接区段耗能具有压弯剪特征；梁贯通式螺栓节点具有多组件耗能特性。提出了能量耗散与延性协同发展的节点设计方法。研究并实现了有效提升薄腹节点域和薄腹梁耗能能力的构造方案，研制了具有超大转动能力和可修复性的铸钢模块元件与节点以及基于形状记忆合金的变形可恢复节点。建立了考虑空间多维性态和滞回劣化特征的典型节点滞回模型。（4）提出了优化的滞回耗能设计应控制不同破坏模式的发生时序即“屈服时序”，提出了结构“损伤核”的概念、其恢复力骨架曲线特征以及实现条件。改进了推覆方法进行“损伤核”结构抗震设计。研制了3种能实现预期“屈服时序”的结构体系：半刚接钢框架和柔性支撑组成的分层装配体系，部分开间集中布置兼有“保险丝”功能的薄柔截面钢梁、结构主体采用高强度钢柱梁的复合框架体系，带竖缝薄钢板剪力墙-钢框架体系，3种体系在大位移下残余变形都较小，具有良好的可恢复性，且损坏构件可更换。 2100433B

动力荷载作用下的安全性始终是结构设计的基本问题之一。本项目以具有功能集成体系特点的多高层钢结构为主要对象，以地震作用下的结构滞回耗能机制为中心，从构件、连接和结构体系3个层面系统研究结构耗能机理、耗能能力评估方法、以及损伤可控条件下有限耗能和极限条件下耗能最大化的设计方法；提出若干构件、连接和体系优化耗能的新概念、新模式。本项目将深入揭示钢结构耗能机理的基本规律，解决若干基础性的结构非线性问题，如钢板组合体塑性局部屈曲的板组相关性能，塑性与屈曲耦合时钢板面内拉压变形和面外挠曲变形的双重耗能机制，节点多组件耗能组合模式，结构要素非线性行为发生的时序、程度和非同步变化对结构系统整体行为的影响，从而发展钢结构耗能设计的基础理论，为地震作用和其他极端动力荷载下结构抵抗局部破坏和倒塌破坏的设计提供更合理的方法，促进建筑钢结构在节能减排、循环经济和可持续发展中的更有效运用。

项目针对随机动力荷载激励下建筑结构的基于可靠度优化设计进行研究。建筑结构的基于可靠度优化设计，提供了一种兼顾结构可靠性和经济合理性的科学的设计方法。其一方面将概率论和数理统计理论引入结构设计，利用可靠度或失效概率，科学和定量地衡量结构性能指标得到保证的可靠程度；另一方面力求以最低费用满足结构的性能要求，以实现最佳的社会经济效益。 项目的研究成果主要有：（1）针对随机动力荷载激励下线性结构系统的基于可靠度优化设计，提出了基于过渡马尔可夫链蒙特卡罗方法的全局优化算法。通过在满足所有约束条件的决策变量的可行域上构造合适的概率密度函数，原始的优化问题可转变为根据构造的概率密度函数取样的问题。研究采用过渡马尔可夫链蒙特卡罗方法解决取样问题，以确保马尔可夫链的状态点的稳态概率分布较快地到达要求的概率分布。同时，研究采用区域分解法来估计备选决策变量的可靠度，以检验其是否满足可靠度约束条件，即其对应的失效概率是否小于要求的限值。为提高优化算法的计算效率，研究提出“最小计算成本”的概念，即针对备选决策变量的可靠度分析的计算成本，只需确保可靠度约束条件的检验结果可靠即可。提出的基于可靠度优化设计算法通过实例验证，具备较好的性能。（2）针对随机风荷载激励下线性结构系统的首次穿越可靠度问题，提出了高效数值模拟算法。研究从该可靠度问题对应的失效区域的几何分析入手，发现整体失效区域可由一系列高维二次基本失效区域的并集表示，且基本失效区域间存在旋转对称性。同时，基于梯度投影法，提出了高维二次基本失效区域设计点的求解算法，并以此改进了之前提出的针对首次穿越可靠度问题的数值模拟算法。改进的数值模拟算法的精度和提高的计算效率，通过实例得到了验证。 2100433B

耗能减震加固技术和设计方法是传统抗震加固技术和设计方法的突破和发展，是耗能减震技术和设计方法在抗震加固中的应用。《耗能减震加固技术与设计方法》系统地论述了耗能减震加固的概念、原理、技术、设计方法及工程应用。全书共八章，内容包括耗能减震加固的概念与原理、耗能减震器的类型与性能、耗能减震器的恢复力模型、耗能减震加固结构的分析方法、耗能减震加固结构设计、基于性能的耗能减震加固结构设计、耗能减震加固结构的施工质量管理、方法与维护管理、耗能减震加固典型工程实例等。

《耗能减震加固技术与设计方法》可供土木工程等专业的研究、设计、施工、监理人员使用，也可作为高等院校土木工程学科博士、硕士研究生和高年级本科生的教学参考书。

项目的研究对象为随机动力荷载激励下建筑结构的基于可靠度优化设计。研究内容包括：(1) 线性结构系统的可靠度分析。其中的不确定性来源综合考虑外界随机动力荷载和结构模型参数失真；(2)模拟退火算法及子空间模拟法在研究对象中的应用及比较。作为全局优化方法，模拟退火优化算法将优化问题转化为根据构造的概率密度函数进行随机取样的问题，而子空间模拟法将优化问题转化为在一系列逐渐收缩且靠近全局最优解的空间区域中随机取样的问题。项目通计划通过计算实例应用，比较两种方法在涉及设计变量较多情况下的性能。(3)基于可靠度的优化设计中计算成本的控制研究。为降低计算成本，提高优化设计的计算效率，项目计划考察极大可能区间的思想：即根据可靠度分析估计的安全失效概率及其变异系数，估计备选设计对应安全失效概率所在的极大可能区间。针对备选设计进行的可靠度分析所需的最低计算成本需使容许安全失效概率在其提供的极大可能区间之外。