高层钢结构地震倒塌模式控制与整体抗震能力设计方法结题摘要

本项目主要研究了高层钢结构的地震倒塌失效模式控制和整体抗震能力提升方法。失效模式控制的目的是，消除结构的薄弱层，优化结构的倒塌失效模式，提升结构的整体抗震能力，通过合理设计，在不显著增加造价的情况下，提高结构的安全储备。本项目以纯钢框架为例，研究了如何通过合理设计框架柱和梁的截面，对高层钢结构进行倒塌失效模式控制，提出了高层钢结构的“等损伤”的抗震设计方法。“等损伤”的抗震设计方法的核心内容是基于“同时破坏”的原则对框架柱进行设计，以柱的截面塑性模量为设计指标，给出各楼层柱在强地震动作用下同时发生破坏所需的截面塑性模量变化比率；另外，还给出了梁的设计方法；并探讨了柱截面的变化位置。本设计方法可以消除高层钢结构的薄弱层，使所设计的结构在强地震动作用下发生均匀破坏，各楼层的损伤程度相等，不但可以控制结构的最弱失效模式，还可以最大程度地提升结构的整体抗震能力。算例证明，该“等损伤”的抗震设计方法可行有效，且设计方便。该“等损伤”的抗震设计方法可以为高层钢框架结构的抗震设计提供参考，优化结构的倒塌失效模式，提升结构的整体抗震能力，使结构具有较大的安全储备。

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。

建筑结构的连续倒塌是指由于偶然作用（如煤气爆炸、炸弹袭击、车辆撞击、火灾等）造成结构局部破坏，并引发连锁反应导致破坏向结构的其他部分扩散，最终造成结构的大范围坍塌。近年来，建筑结构的连续倒塌问题受到工程界的广泛关注，并成为当前结构工程和防灾减灾领域的重要研究前沿。《混凝土结构防连续倒塌理论与设计方法研究》配合我国相关规范规程的编制工作，系统介绍了混凝土结构防连续倒塌的理论和工程设计方法，主要包括：国内外建筑结构防连续倒塌设计的发展历程与研究现状，我国典型混凝土结构抗连续倒塌性能的评价，混凝土框架结构的连续倒塌规律和抗连续倒塌工作机理，基于能量原理的混凝土框架结构抗连续倒塌承载力需求分析方法，现有抗连续倒塌工程设计方法的分析、检验和改进，以及混凝土框架结构火灾连续倒塌分析与设计方面的研究进展。

本项目针对高层建筑结构地震灾变的核心科学问题，系统地开展其在强震下的破坏倒塌机制与灾变过程控制理论与方法研究。从材料、构件、子结构及结构整体多个层次上研究强震下高层建筑结构非线性反应建模理论和高效的计算分析方法，考虑多个强非线性因素的影响，实现高层建筑结构由构件损伤、局部破坏直至倒塌的动力灾变过程模拟，建立强震下高层建筑构件失效破坏准则及整体倒塌破坏准则，研究构件损伤、局部破坏与整体倒塌的内在联系，揭示高层建筑结构在强震下的破坏倒塌机制；深入研究高层建筑结构的地震失效模式，发展高层建筑结构失效模式优化及采取减震控制措施的地震灾变过程控制理论和方法，建立高层建筑结构在强震下提高整体抗倒塌能力的控制措施，为提升高层建筑的抗震能力提供坚实的理论基础和技术支撑，本项目的研究具有重大的理论意义和工程应用价值。 2100433B

内容简介

本书介绍了高层建筑地震倒塌的理论、建模方法和评估方法。本书共分8章，第1章为研究背景与文献综述，第2~3章介绍了混凝土和钢材应力应变关系考虑劣化行为影响的本构模型的建立和校准，第4~5章重点介绍了高层钢结构和钢管混凝土结构在强烈地震作用下的地震安全性和倒塌能力，第6章介绍了支撑构件对钢框架结构地震倒塌的影响，第7章介绍了钢筋混凝土框架结构的地震倒塌能力，第8章总结了全书的研究。

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