基于能量法的超高巨型结构功能可恢复抗震设计与评估

83 percent of super-tall buildings with the total height exceeded 300 m, completed or under construction, are located in high seismic regions in China and face the severe earthquake threat. It is an urgent demand for the urban stability and sustainable development that how to ensure the seismic safety and fast recover after the earthquake for super-tall buildings. Based on the super-tall buildings with mega structure, the seismic plastic energy demand spectrum and plastic energy distribution for super-tall buildings will be proposed by plastic seismic response analyses. By studying the hysteresis test of mega components and the energy-based component damage index, the relationships between the seismic demand of components and the plastic energy spectrum will be built up and the energy-based design method for the seismic resilience super-tall buildings will be suggested subsequently. Through structure loss assessment and recover analysis, a quantitative seismic resilience index for super-tall buildings with mega structure will be proposed, as well as the framework of the seismic resilience evaluation. These researches will great improve the seismic design system for the super-tall buildings and provide a scientific basis for improving the disaster prevention capacity of super-tall buildings and other lifeline projects.

我国在建或已建成的300 m以上的超高层建筑83%位于中高烈度地震区，面临着严重的地震威胁。如何保障超高层建筑的地震安全和震后快速恢复是城市安定与可持续发展的迫切需求。本项目以超高巨型结构为基本研究对象，通过弹塑性地震响应分析，建立超高巨型结构的能量需求谱和耗能分布规律；通过巨型构件抗震性能试验和构件损伤指标研究，建立构件抗震需求和能量需求谱的关系，并提出基于能量法的超高层建筑功能可恢复抗震设计方法；通过引入结构损失分析和恢复分析，提出超高巨型结构地震功能可恢复的量化指标，建立超高层建筑地震功能可恢复的评估方法。以上工作将为超高层建筑的抗震设计体系的进一步完善奠定基础，为提高超高层建筑等重大工程的防灾减灾能力提供科学依据。

中国在建或已建成的超高层建筑大都面临着严重的地震威胁。如何保障超高层建筑地震后功能可恢复是城市安定与可持续发展的迫切需求。本项目以超高巨型结构为研究对象，从超高层建筑地震耗能需求、基于能量的罕遇地震可恢复能力设计方法和地震可恢复能力评估三方面进行了系统研究。提出了适用于不同分析需求的超高层建筑简化分析模型——弯剪耦合模型和鱼骨模型，可提高分析效率10~100倍。基于等效线性化方法，将结构塑性耗能等效为阻尼耗能，进而提出了高层建筑满足罕遇地震功能可恢复的总塑性耗能需求计算方法。研究了超高层建筑关键构件的刚度需求，基于弯剪耦合模型和鱼骨模型，根据结构的宏观设计指标快速确定巨柱、核心筒和伸臂桁架的关键刚度需求。研究了连梁和伸臂桁架的耗能配比关系，提出了伸臂桁架塑性耗能沿结构高度的分布规律——三角形分布，并提出了连梁和伸臂桁架的能量设计方法；最终提出了基于能量的超高巨型结构功能可恢复抗震设计流程，可实现高层结构的损伤模式、损伤位置和损伤程度可控。通过对比研究代表性的功能可恢复能力量化计算方法，提出了一种基于构件损伤状态的新指标以反映结构的使用功能，建议了结构功能可恢复能力量化评估流程，并通过典型高层建筑的地震可恢复能力评估对本研究提出结构使用功能指标和评估流程的可行性进行了验证。研究表明：本研究提出的基于构件损伤状态的新指标能较好地反映结构在不同地震水准下的使用功能；且在多遇和设防地震水准下，非结构构件对高层建筑地震可恢复能力的影响明显大于结构构件。以上工作为超高层建筑的抗震设计体系的进一步完善奠定基础，为提高超高层建筑等重大工程的防灾减灾能力提供科学依据。