高层钢结构地震倒塌模式控制与整体抗震能力设计方法

The project studies damage evolution law and failure whole process of tall steel buildings under strong earthquake by numrical simulation of nonlinear dynamic catastrophic whole process of tall steel buildings under three-dimensional earthquake.Seismic failure mode and collapse mechnism of tall steel buildings are revealed. Seismic failure criterion of whole collapse limit state of tall steel buildings is established. Then various control methods of the whole collapse mode of tall steel buildings are proposed.The collapse mode control methods are that tracking failure mode and its path and optimizing and strengthening failue members so as to eliminate previous some weakest failure modes or strengthen failure mode path,etc. Thirdly, through structural whole collapse mode control method, the new design idea is studied,strucrural parameters are optmized and structural failure mode is improved. And the integral seismic capacity design method of tall steel buildings is proposed. Finally, by collapse mode analysis and control, design and model experiment of tall steel buildings, the proposed method by the research and analysis results will be verified. The researches of the project can provide scientific support for aseismic safety construction and earthquake prevention - disaster reduction of tall steel buildings in China with important theoretical and engineering significance.

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。

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。