[01517689]基于性能的高层建筑结构抗震研究与应用

一、课题来源与背景课题来源 1. 国家自然科学基金面上项目（国家自然科学基金委员会）：基于性能的既有钢筋混凝土结构抗震鉴定关键技术研究,51378221。2. 广州市科技计划专项-重点项目（广州市科技创新委员会）：建筑结构性能化理论体系与安全性评估方法研究,15020088。3. 广东省自然科学基金自由申请项目（广东省自然科学基金管理委员会）：高层建筑转换层结构楼层侧向刚度突变控制准则的研究,06105416;罕遇地震作用下基于能力设计原理的转换层结构设计研究,31410。4. 亚热带建筑科学国家重点实验室自主课题（亚热带建筑科学国家重点实验室）：RC与SRC梁、柱、剪力墙构件抗震性能指标限值试验验证研究,2015ZA04;组合构件抗震变形性能指标限值研究,2014ZC16。课题背景：近百年来历次强震均造成巨大的人员伤亡和财产损失,最直接的原因是强震导致建筑结构严重损坏甚至倒塌。目前建筑结构抗震是通过小震作用下结构满足承载力要求,确保小震和中震作用下结构的安全性,通过加强构造措施保证大震作用下结构的抗倒塌能力。事实证明,由于地震作用的不确定性和构造措施的经验性,地震损失难以避免。可见,建筑结构抗震迫切需要解决的核心问题,是准确评估强震作用下结构、构件的损坏程度和抗倒塌能力,对社会稳定和经济发展具有重大意义。 二、技术原理及性能指标 本研究针对地震动参数、构件本构模型、基于构件的结构弹塑性分析、构件抗震性能评价指标、强震作用下结构性能评估等关键技术展开了理论研究和试验研究。经过三十年的努力,从荷载取值入手,通过精细的结构试验和计算分析,实现对结构构件抗震性能的准确定量评估,确保强震作用下建筑结构的安全性。 三、技术的创造性与先进性创造性： 1. 提出了 “两水准、两阶段”抗震设计思想,建立了基于构件的结构抗震性能设计方法。2. 建立了钢筋混凝土和型钢混凝土梁、柱、剪力墙构件破坏形态划分准则和变形指标限值。3. 发现不同阻尼比拟加速度谱衰减的一致性及其衰减机制,建立了符合统计规律的抗震设计反应谱;提出结构抗震设计地震波选取方法,建立了适用于不同场地类别、对应不同结构自振周期的地震波库。4. 建立和修正了钢筋、混凝土材料本构,提出了纤维模型单元划分准则和受拉纤维拉剪本构,通过框架、剪力墙、框架-剪力墙足尺结构模型振动台试验验证了材料本构和纤维模型的计算精度和工程适用性。先进性：本研究成果可以准确把握高层建筑结构所受地震作用大小,准确计算大震作用下结构构件内力和变形,合理判断梁、柱、剪力墙构件损坏程度,全面掌握结构抗倒塌能力,确保高层建筑结构抗震安全性。填补了世界各国抗震规范无法准确定量评估强震作用下混凝土结构构件抗震性能的空白。 四、技术的成熟程度,适用范围和安全性 1. 建立了符合统计规律的抗震设计反应谱。2. 提出地震波选取的拟合系数SFC法和多振型MBM3D法,可以考虑结构高振型和平扭偶联的影响。3. 建立了适用于不同场地类别、对应不同结构自振周期的地震波库。4. 提出和修正了钢筋、非约束混凝土、约束混凝土、CFRP加固震损混凝土的材料本构模型,建立了纤维模型单元划分准则,提出了钢筋受压失稳、竖向构件受拉剪切刚度的计算模型。5. 建立了基于神经网络预测纤维模型参数的智能算法,通过框架、剪力墙、框架-剪力墙足尺结构模型振动台试验,证明了宏观弹塑性模型具有工程上可接受的计算精度。6. 建立了钢筋混凝土梁、柱、一字形剪力墙、T形剪力墙、L形剪力墙、工字形剪力墙的破坏形态划分准则和变形指标限值,建立了钢筋混凝土构件变形大小—承载能力—损坏程度的数学关系和物理关系。7. 建立了型钢混凝土梁、柱、剪力墙破坏形态划分准则和变形指标限值。8. 提出了承载力设计+变形复核的“两水准、两阶段”抗震设计思想,建立了基于构件的结构抗震性能设计方法,编制了广东省建筑结构抗震性能设计规程。9. 验证了我国现行规范设计的框架、剪力墙、框架-剪力墙、部分框支剪力墙以及框架-核心筒等结构体系的抗大震安全性。10. 揭示了框架结构和高层建筑剪力墙结构的屈服机制和强震作用下抗倒塌的本质。11. 建立了风荷载和地震作用下结构变形控制准则。 五、应用情况及存在的问题 1. 编制了抗震性能设计软件PBSD,研究成果应用于69栋高层建筑结构抗震设计,最高应用于530米高112层的广州东塔,最远应用于太平洋岛国瓦努阿图。2. 发表中英文期刊论文156篇（SCI收录17篇,EI收录76篇,其中在土木工程学报、建筑结构学报上发表论文28篇）,出版专著6部,授权发明和实用新型专利38项（其中发明专利16项）、软件著作权18项,主编和参编国家和省规程5本。