强地震场下高层隔震结构的倒塌破坏模式及控制研究中文摘要

我国汶川5.12地震后对建筑物的抗震性能提出了更高要求，未来十年内高层隔震结构的建设会得到迅速发展。强地震场下高层隔震结构的损伤机理及破坏倒塌模式已成为高层隔震结构亟待解决的研究课题。本项目旨在研究高层隔震结构的倒塌破坏模式和控制等基础性内容：通过研究强地震场复杂受力条件下隔震层及隔震支座的损伤演化规律，建立高层隔震结构隔震层及隔震支座的损伤细观和宏观动力模型；通过研究土/基础/隔震层/上部结构之间的损伤耦合效应，建立多维强地震场下考虑结构-介质动力耦合效应、损伤力学特性、地震非平稳随机过程的高层隔震结构地震分析方法；通过研究强地震场作用时高层隔震结构的损伤机理和倒塌破坏机制，建立高层隔震结构动力灾变全过程的精细数值模拟方法。本项目的研究将揭示高层隔震结构的损伤机理和倒塌破坏模式，掌握其性态特征和倒塌控制策略，对高层隔震结构的发展具有普遍意义与重要的学术价值，有利于推动高层隔震技术的发展。

本项目研究了高层隔震结构的倒塌破坏模式和控制等基础性内容，具体研究内容和工作成果包括：①开展了直径从600mm到1000mm原型隔震支座力学性能的损伤试验研究，依据试验的调查结果，总结了支座的损伤类型，确认了支座损伤破坏的判别条件；研究了强地震场复杂受力条件下隔震层及隔震支座的损伤演化规律，建立了隔震支座的损伤精细化模型，模拟了铅芯橡胶支座实体模型在水平变形到达极限变形状态时破坏失效现象，以及建立了铅芯橡胶隔震支座考虑损伤的四线段宏观恢复力模型；建立了高层隔震结构动力灾变全过程的精细数值模拟方法，分析了隔震层单个、多个及全部隔震支座失效的结构动力响应。②提出了高层隔震结构倒塌分析的地震动强度指标(IM)，分析了不同地震强度指标与最大变形的相关性，建立了适用于高层隔震结构倒塌性能分析的数学模型，基于基底剪力及能量等效原则来建立简化分析模型与原结构模型之间的转换关系及简化模型的参数取值，并提出了基于单质点及双质点模型的地震响应简化分析方法-单纯质点法，考虑了具有偏压竖向刚度概念的隔震层转动刚度，建立了高层隔震结构简化平动加摆动多质点模型，基于隔震支座的等效刚度和等效粘滞阻尼比建立了高层隔震结构的动力方程。采用状态空间法和虚拟激励法分析了考虑随机地震作用的高层隔震结构倒塌概率性能。③提出了一种新的表征滞回耗能的显式能量谱模型，该模型基于新的参数-特征滞回耗能系数来反映滞回耗能、屈服力系数及延性系数之间的关系。建立了非弹性单自由度(SDOF)系统的总输入能量的等效速度比谱模型，基于提出的能量谱模型及能量平衡原理预测了非弹性单自由度系统的最大位移值。基于等效速度比谱模型及等效单自由度模型建立了近远场地震作用下三维高层隔震结构抗倒塌性能的多模态评估理论，采用评估方法分析了三维建筑结构隔震结构在44条远场地震波和20条近场地震波的抗倒塌能力。④开展了模型比例1/30、模型总重25t的复杂隔震结构地震模拟振动台损伤试验研究，模拟了隔震层1/3支座在强地震场作用下退出工作时结构动力响应，测试了模型在多遇地震、设防地震、罕遇地震及超大震作用下的地震响应，观测了隔震支座及主要抗侧构件在地震作用下的破坏形态，掌握了强地震场作用时高层隔震结构的损伤机理和倒塌破坏机制。提出了强震下隔震层变形过大的承台限位和阻尼器限位控制方法。结合高层隔震建筑实际工程，研究了不同限位装置及受力条件下高层隔震结构 2100433B

大型复杂超高层建筑将是我国未来20～30年城市建设中的重点之一，强地震区的超高层建筑将是其建设的难点。本项目以钢结构、混凝土结构、钢－混凝土组合结构和钢－混凝土混合结构四种典型超高层建筑结构为基础，发展高效超高层建筑结构新体系及其高性能部件，研究它们在强地震作用下的地震灾变关键效应和地震灾变全过程，揭示结构地震破坏和倒塌的物理机制，发展相应的数值模拟和模型试验技术。建立考虑损伤累积效应的材料本构关系、反映损伤演化规律的构件及节点的滞回模型乃至基于损伤累积效应的结构整体数值计算模型；建立考虑岩土－基础－超高层结构的动力耦合效应的非线性建模理论与方法；进行超高层结构在强地震作用下的动力全过程分析，研究地震损伤演化规律，建立地震失效破坏准则，进而发展结构的强震失效模式优化和控制结构地震破坏和倒塌的方法和措施，改善结构的抗震性能。本项目的实施将为我国五百米级超高层建筑的安全建设和运营提供科学支撑。

本项目针对典型超高层建筑结构，发展高效超高层建筑结构新体系及其高性能构件，研究它们在强地震作用下的地震灾变关键效应和地震灾变全过程，揭示结构地震破坏和倒塌的物理机制，发展相应的数值模拟和模型试验技术。进行了钢材和混凝土材料在反复荷载作用下的滞回性能试验，建立了材料在反复荷载作用下的本构关系；开发了多种新型多重组合钢-混凝土组合剪力墙及筒体，进行了新型构件和超高层建筑典型构件 (高含钢率SRC组合柱、高强超厚板钢柱、内置钢板钢筋混凝土剪力墙)抗震性能试验，建立了非线性数值计算模型，提出了抗震设计方法与构造措施；完成了可液化地基－高层结构体系相互作用的振动台试验和相邻高层结构—桩—土动力相互作用体系的振动台试验，建立了非线性数值计算模型，初步揭示了土—结动力相互作用体系的地震反应规律及其影响因素；提出了一种计算结构整体性能与局部破坏的多尺度单元耦合模型；提出了应用增量动力分析方法对超高层结构进行基于概率的抗震性能评估的方法；提出了利用屈曲约束支撑、阻尼器控制带伸臂桁架的框架—核心筒结构地震损伤的方法，并通过数值计算进行了验证；发展了可恢复功能高层抗震结构的概念，提出了一种新型带可更换连梁的剪力墙和一种新型带可更换脚部构件的剪力墙，进行了两种剪力墙的抗震性能试验，建立了其非线性数值计算模型；完成了上海中心、上海世博会中国馆等9个实际复杂高层结构整体模型的模拟地震振动台试验和非线性地震反应数值分析，研究了其地震破坏机理和抗震薄弱部位，为其抗震设计提供了技术支撑；编制了上海市《超限高层建筑工程抗震设计指南》(第二版)。本项目的研究成果为改进高层及超高层建筑的抗震设计、改善其抗震性能、有效控制其地震损伤提供了科学支撑。 2100433B

本项目通过对高层钢结构在三维地震下的非线性动力灾变全过程进行数值模拟，研究高层钢结构在强震下的损伤演化规律和破坏全过程，揭示高层钢结构的地震失效模式和倒塌机制，建立高层钢结构整体倒塌极限状态的地震失效准则。其次，提出跟踪失效模式及其路径、优化加强失效构件，从而消除前若干最弱失效模式或强化失效模式路径等多种高层钢结构的整体倒塌模式控制的方法。第三，通过结构整体倒塌模式控制方法，研究新的设计理念，优化结构参数和改善结构失效模式，提出高层钢结构的整体抗震能力设计方法。最后，通过高层钢结构倒塌模式分析、控制、设计及其模型试验，验证研究提出的方法和分析结果。本项目研究，可为我国高层钢结构的抗震安全建设和防震减灾提供科学依据，具有重要的理论和工程实际意义。