超高建筑地震灾变过程与倒塌机制及控制研究

超高建筑地震作用下的安全受到全社会广泛关注。超高建筑地震灾变是强非线性复杂过程，已有数值模型和计算方法无法实现地震灾变全过程分析。本项目研究并建立超高建筑结构－桩基－地基土耦合、考虑强非线性地震灾变全过程分析的多尺度自适应计算模型，研究并实现地震损伤演化的高效数值计算方法；以我国超高建筑应用最广泛的混合结构为对象，通过理论分析、数值计算和试验，研究其地震灾变全过程，建立竖向组合构件和整体结构的失效破坏准则，揭示地震灾变失效破坏机理，揭示地震作用下构件破坏、局部结构破坏以及整体结构破坏之间的关系，揭示地震灾变破坏与倒塌机制，提出构件损伤次序的控制原理和方法，提出避免整体结构发生非稳定连续性地震灾变的设计原理和方法，提出磁流体阻尼器对地震灾变过程的损伤和倒塌控制的原理和方法。本项研究为保障我国500m级超高建筑的安全建设和运营提供科学支撑，具有重大的科学意义、重大的社会意义和经济意义。

提出了基于纤维梁+分层壳+单元生死+接触算法的超高建筑混合结构地震倒塌灾变全过程模拟的有限元分析方法，实现了包括上海中心大厦、北京Z15在内的多座500m级超高建筑地震倒塌灾变全过程数值模拟，揭示了超高建筑混合结构的地震灾变过程及倒塌机制。. 提出了500m级超高建筑地震灾变分析的弯剪梁模型的参数取值方法和刚度分布，通过上海中心大厦弯剪梁模型的地震倒塌灾变全过程计算分析，揭示了地震作用下结构耗能分布规律和损伤演化规律。. 进行了大尺寸高轴压比钢管混凝土组合柱、钢管混凝土组合墙的试验及数值分析，揭示了其破坏形态、钢管混凝土对构件承载和变形能力的作用，建立了基于低周累积损伤的耗能计算方法和损伤指标。. 完成了上海中心、广州东塔等超高建筑混合结构的模型振动台试验，揭示了其地震响应及地震灾变过程，为其结构设计提供了有价值的试验依据。. 通过理论分析和结构－桩基础－地基土相互作用体系模型振动台试验，提出了超高建筑偏心结构－地基相互作用的解析解及平扭耦联参数的范围，提出了结构－桩基础－地基土相互作用的线性－非线性混合的约束模态综合计算方法，以及分枝模态与约束模态混合二步分析法。. 通过理论分析和磁流体阻尼器控制混合结构模型地震响应振动台试验，提出了超高建筑混合结构基于磁流体阻尼器的非线性地震损伤控制原理与方法，开发了半主动控制平台，提出了结构构件、结构层及结构整体损伤评估准则，为在超高建筑中采用磁流体阻尼器控制提供了依据。. 提出了基于结构广义刚度的超高建筑混合结构体系构件重要性评价方法、基于构件重要性的承载力储备需求，提出了结构失效判别准则、失效模式的量化和评价，提出了重要构件承载力储备要求最高的失效模式，即基于最长失效路径的结构地震倒塌控制策略，提出了基于损伤机制控制的抗震设计方法，实现基于结构自身的地震倒塌控制。. 进行了钢筋混凝土框架拟静力加载倒塌试验，成功举行了钢筋混凝土框架拟静力加载倒塌试验结果预测竞赛，促进并检验了框架结构地震倒塌数值模型和模拟方法的正确性和科学性。. 分析了超高建筑结构地震响应与地震动输入强度参数之间的关系，指出PGA等参数不适用于超高建筑的地震响应研究和抗震设计，建议PGV或IMmodify作为超高建筑的地震动强度参数，提出了基于震源机制且考虑场地土分层差异效应的多点地震动生成方法。