强地震作用下混凝土结构逐步倒塌性能分析与设计

对重大工程结构进行强地震作用下的逐步倒塌全过程分析并建立相应的设计与控制方法已成为当前地震工程领域的发展趋势。现行抗震设计规范中针对结构临界倒塌状态的界定、抗倒塌性能与倒塌机制的评估方法等方面已不能适应发展迅速的结构性能化设计理论和日趋复杂的建筑使用环境的要求。本项目拟围绕强地震作用下混凝土结构逐步倒塌全过程仿真分析、损伤性能设计与控制方法依次展开研究。在推导构件弹塑性空间柔度矩阵、建立构件端部累积损伤－失效－断裂力学模型以及运动构件间接触－碰撞力学模型的基础上，拟在OpenSEES分析平台上开发逐步倒塌全过程分析程序，并以此来分析钢筋混凝土平面和空间框架在不同特性地震激励作用下的逐步倒塌行为，研究结构逐步倒塌机理以及整体损伤演化规律，进而建立混凝土结构逐步倒塌损伤性能设计与控制方法。该方法将逐步倒塌分析与损伤性能设计理念紧密结合，为重大工程结构"灾害无关"型设计思路提供强有力的技术支撑。

提出了基于OpenSees分析平台的附属节点建模技术和扩展静力凝聚方法，初步实现了混凝土结构在强震下逐步倒塌过程中构件失效、脱落以及接触—碰撞全过程的数值模拟和对分析流程的控制。基于Ghobarah的刚度损伤模型，采用模态等价线性化方法，推导并提出了考虑强震过程中各阶模态和周期迁移对结构整体损伤贡献动态影响的多模态改进整体损伤模型。结合统计学知识，研究了地震动随机性和截面损伤模型对结构强震失效路径的影响规律，提出了基于加权秩和比和相似度的统计失效模式方法。充分结合振动力学和波动力学的基本概念，推导了纵波在简化层模型结构竖向传递过程中的反射和投射系数，并针对两种典型超高层建筑结构体系，给出了近场脉冲型强震作用下这些结构的简化波动分析方法，初步揭示了可能被忽视的超高层建筑强震损伤、失效甚至倒塌机理。提出了基于静力推覆分析的倒塌储备系数（CMR）计算方法，并在ATC-63报告的基础上就CMR的定义提出了修订建议，最后研究了ECC材料对混凝土结构地震损伤性能以及倒塌安全储备的提升作用。由于本项目的探索特性显著，在模拟结构动态内力重分布这一强非线性动力过程中遇到的数值挑战超出预期，在针对接触——碰撞的关键科学问题的研究取得了一些突破和进展，但是深入、系统的后续研究仍需要开展且正在进行中。