局域大空间高层结构抗震失效机理与扭转控制研究

局域大空间高层结构属于典型的复杂体型结构，在地震作用下动力反应较大，且具有明显的局部和整体扭转振动，结构破坏呈现显著的扭转破坏特征。本课题首先以现有局域大空间高层结构整体模型模拟地震振动台试验结果为基础，对该类结构在地震作用下的失效机理和扭转振动的空间分布规律进行分析，建立扭转反应的合理评定指标体系和方法以及该类结构的降阶力学模型。课题研究工作第二步将根据局域大空间高层结构的特点，通过在局域大空间部位设置控制装置，采用优先减小局域大空间部位局部扭转振动的途径来控制结构整体扭转振动反应，并建立相应的结构扭转振动控制理论及其系统设计与数值仿真分析方法。最后，采用模拟地震振动台试验手段，验证课题所建立的结构扭转振动控制新方法在减小局域大空间高层结构局部和整体扭转振动及结构总体动力反应方面的有效性。 2100433B

本项目以软弱覆盖土层中的地下大空间结构为研究对象，综合采用先进动态离心模型试验和三维精细化数值仿真技术，揭示软土地下大空间结构在强地震作用下的非线性动力响应规律及其灾变机理，研究地震能量在地下结构中的传递机制和耗散效应，揭示基于能量分析的减震控制原理，为进一步提高我国地下工程的抗震防灾水平提供科学支撑。 本项目按项目计划书要求完成全部预定研究内容。已取得的主要研究成果包括：1）采用高精度的动态离心模型试验技术，重点研发了可保证重复制备砂土试样的设备和方法以及可获得地下结构动力响应特征的测试元件桥路设计，真实模拟软弱土层的应力场，精确再现“软土－减震装置－地下结构”系统原型在实际应力条件下的真实动力响应；2）试验验证了地下结构受周围岩土介质变形或相对位移影响显著的动力响应特征，揭示了减震层通过吸收地下结构周围岩土介质的相对位移，进而降低结构内力和变形，最终减轻甚至避免了结构震害的作用原理；3）建立并验证了考虑跨尺度效应的混合建模方法，开展了三维精细化地震响应参数分析，实现了大开车站倒塌破坏模式的数值再现，研究结果表明：强竖向地震动增大了中柱轴压、从而降低了中柱的抗侧移能力，而高轴压、弱抗剪承载能力以及构造措施不足是导致中柱破坏、车站坍塌的主要因素；4）在此基础上，对软土中典型双层地铁车站进行了减震装置的空间优化布置设计，归纳了地震能量输入、转移、分布、耗散与吸收的规律，实现减震耗能装置在地下结构中的有效设计和优化布置，揭示了基于“替换”和能量概念的地下大空间结构的减震控制原理。 本项目是已结题青年基金项目的深化与拓展，重点实现高精度试验模拟和精细化数值建模的突破，为正确反映地下工程结构在地震作用下的性态、深入认识和理解地下结构地震破坏机理和减震控制原理提供更真实、可靠、精确的科学数据和新的研究途径。研究成果已发表SCI收录学术论文8篇（均为第一作者或通讯作者）、EI论文3篇；参编著作2部；授权国家发明专利3项；获教育部自然科学二等奖1 项（排名第2 ）和上海市科技进步三等奖1 项（排名第4）。 2100433B

大跨空间钢结构广泛应用于人员活动密集的大型公共建筑，一旦遭遇内爆炸袭击，极易造成重大人员伤亡、财产损失和恶劣社会影响，但相关研究薄弱。本项目采用数值模拟和模型试验相结合的方法，对内爆炸作用下大跨空间钢结构的动力响应、破坏模式、失效机理和防爆方法进行研究。首先，基于ALE有限元，对大跨空间钢结构内爆炸冲击波的传播规律进行数值实验，推演冲击波超压与炸药TNT当量和爆炸点距离之间的数学表达。其次，对爆炸冲击波超压进行本征正交分解法(POD法)分解和重构，使时空不同步的海量冲击波超压频谱转换成有限数量的表征值，获得冲击波压力场在结构表面上的分布，使爆炸冲击波作用数量化并进行试验验证。然后，考虑结构几何及刚度、非结构破坏和泄爆影响并结合试验结果，对大跨空间钢结构在内爆炸冲击波超压作用下的动力响应机制、失效模式和机理进行数值仿真和分析。在此基础上，提出大跨空间钢结构的防爆和泄爆方法及正确使用指引。