强地震作用下超高层建筑损伤机理及破坏全过程研究

大型复杂超高层建筑将是我国未来20～30年城市建设中的重点之一，强地震区的超高层建筑将是其建设的难点。本项目以钢结构、混凝土结构、钢－混凝土组合结构和钢－混凝土混合结构四种典型超高层建筑结构为基础，发展高效超高层建筑结构新体系及其高性能部件，研究它们在强地震作用下的地震灾变关键效应和地震灾变全过程，揭示结构地震破坏和倒塌的物理机制，发展相应的数值模拟和模型试验技术。建立考虑损伤累积效应的材料本构关系、反映损伤演化规律的构件及节点的滞回模型乃至基于损伤累积效应的结构整体数值计算模型；建立考虑岩土－基础－超高层结构的动力耦合效应的非线性建模理论与方法；进行超高层结构在强地震作用下的动力全过程分析，研究地震损伤演化规律，建立地震失效破坏准则，进而发展结构的强震失效模式优化和控制结构地震破坏和倒塌的方法和措施，改善结构的抗震性能。本项目的实施将为我国五百米级超高层建筑的安全建设和运营提供科学支撑。

本项目针对典型超高层建筑结构，发展高效超高层建筑结构新体系及其高性能构件，研究它们在强地震作用下的地震灾变关键效应和地震灾变全过程，揭示结构地震破坏和倒塌的物理机制，发展相应的数值模拟和模型试验技术。进行了钢材和混凝土材料在反复荷载作用下的滞回性能试验，建立了材料在反复荷载作用下的本构关系；开发了多种新型多重组合钢-混凝土组合剪力墙及筒体，进行了新型构件和超高层建筑典型构件 (高含钢率SRC组合柱、高强超厚板钢柱、内置钢板钢筋混凝土剪力墙)抗震性能试验，建立了非线性数值计算模型，提出了抗震设计方法与构造措施；完成了可液化地基－高层结构体系相互作用的振动台试验和相邻高层结构—桩—土动力相互作用体系的振动台试验，建立了非线性数值计算模型，初步揭示了土—结动力相互作用体系的地震反应规律及其影响因素；提出了一种计算结构整体性能与局部破坏的多尺度单元耦合模型；提出了应用增量动力分析方法对超高层结构进行基于概率的抗震性能评估的方法；提出了利用屈曲约束支撑、阻尼器控制带伸臂桁架的框架—核心筒结构地震损伤的方法，并通过数值计算进行了验证；发展了可恢复功能高层抗震结构的概念，提出了一种新型带可更换连梁的剪力墙和一种新型带可更换脚部构件的剪力墙，进行了两种剪力墙的抗震性能试验，建立了其非线性数值计算模型；完成了上海中心、上海世博会中国馆等9个实际复杂高层结构整体模型的模拟地震振动台试验和非线性地震反应数值分析，研究了其地震破坏机理和抗震薄弱部位，为其抗震设计提供了技术支撑；编制了上海市《超限高层建筑工程抗震设计指南》(第二版)。本项目的研究成果为改进高层及超高层建筑的抗震设计、改善其抗震性能、有效控制其地震损伤提供了科学支撑。