复杂混凝土结构整体抗灾可靠度分析理论研究

Engineering reliability theory is the basis of the safety design of important engineering structures. Inspired from the innovative academic thought, i.e. structural reliability analysis should be based upon engineering physics, this project will be devoted to developing the theoretical fundamentals of global reliability analysis of complex concrete structures. The physical models of disastrous actions such as earthquakes and strong winds will be establised through systematical investigations of their embedded physical background. The meso-scale mechanism of stochastic damage accumulation of concrete and its evolution rules will be studied in-depth, whereby the multiscale analysis theory that can scientifically capture the stochastic dynamic nonlinear behaviors of concrete structures will be developed. The mechanism of fatigue damage accumulation, cross-scale failure and dynamic catastrophe will then be exposed towards the complex concrete structures subjected to disastrous dynamic actions. On this basis, the rules of dynamic catastrophe of complex concrete structures and the Benchmark models relevant to typical concrete buildings will be developed. In the context of probability density evolution method, the analysis theory of global reliability of engineering structures against disastrous actions will be established. By doing so, the promotion of reliability analysis of structures from the component reliability level to global reliability level will be implemented, which will provide scientific basis for prepelling the revolution of unified codes of reliability design of engineering construction in our country.

工程可靠性理论是重大工程安全性设计的基石。本项目从“基于工程物理研究结构可靠度”这一创新学术思想出发研究复杂混凝土结构的整体抗灾可靠度分析理论。将基于物理背景，系统研究、建立灾害性动力作用(地震、强风)的物理模型；在深入研究混凝土随机损伤积累的细观机理及其演化机制的基础上，发展可以科学反映混凝土结构随机动力非线性行为的动力灾变多尺度分析理论，揭示灾害性动力作用下的复杂混凝土结构的疲劳损伤积累、跨尺度破坏与动力灾变机理；在此基础上，建立复杂混凝土结构的动力灾变准则和典型混凝土建筑结构的Benchmark模型；发展并系统建立基于概率密度演化理论的工程结构整体抗灾可靠性分析理论；实现从构件可靠性分析到结构整体可靠性分析理论的提升，为推动我国工程建设可靠性设计统一规范的变革提供科学基础。

工程结构抗灾整体可靠性理论是重大工程安全性设计的基石。在本研究项目中，从“基于工程物理研究结构可靠度”的创新学术思想出发，经过五年的努力，系统地研究和发展了复杂混凝土结构的抗灾整体可靠性分析理论。主要研究进展包括：（1）在此前研究工作的基础上，针对主要的灾害性随机动力作用，基于震源-传播途径-场地影响的物理机制，系统建立了工程随机地震动的物理模型及工程数据库；基于湍流物理机制与风场观测数据，建立了脉动风速物理随机模型及工程应用数据库。（2）发展了基于相场理论的混凝土动力损伤模型，实现了多种应变率动力分析模型的统一；建立了混凝土疲劳损伤的细观物理模型，提出了结构疲劳损伤分析的两尺度加速高效算法，发展了混凝土结构疲劳寿命的科学预测方法，奠定了混凝土结构整体可靠性分析的物理-力学基础。（3）系统发展了结构非线性随机反应分析的群演化算法、加密算法和再生核配点法，有效地抑制了广义概率密度演化方程求解中的网格敏感性问题，显著地提高了可靠度求解的精度和稳健性，形成了概率密度理论求解的新一代数值方法，为复杂混凝土结构灾害响应中的不确定性传播与涨落分析提供了工具。（4）引入随机谐和函数方法，实现了复合泊松过程的连续性随机函数表达；提出了荷载遇合原理，实现了多个荷载随机性遇合的确定性表达；基于组合概率空间剖分实现了疲劳荷载与地震作用的样本遇合，分析了疲劳荷载与地震作用下的结构组合荷载效应，基于概率密度演化理论实现了既有工程结构考虑多种荷载作用的非线性荷载效应组合分析。（5）提出了基于能量的结构动力灾变准则，根据材料-构件-结构多层次失效准则建立观测变量的耗散概率密度方程并联立系统物理方程，提出了结构整体可靠度分析的物理综合法。在上述基础上，开展了典型混凝土结构疲劳性能试验与混凝土建筑结构的动力灾变模拟试验，形成了Benchmark模型，实现了典型真实混凝土结构的整体可靠度评定。.通过本项目的研究，实现了从单一荷载向考虑多种荷载非线性组合效应、从构件可靠性分析到结构整体可靠性分析理论的提升，为推动我国工程建设可靠性设计统一规范的变革提供了科学基础。.项目研究过程中，出版专著2部，在国内外核心期刊发表论文62篇；获得国家自然科学二等奖1项、中华人民共和国国际科学技术合作奖1项、上海市科技进步一等奖1项；培养国家杰出青年科学基金获得者1人、博士研究生17人。