罕遇地震作用下钢筋混凝土框架结构的鲁棒性分析与抗倒塌设计方法

以钢筋混凝土框架结构为研究对象，在JCSS最新提出的工程风险评估框架之下，结合汶川地震的震害调查数据，综合考虑结构在地震作用下的侧向增量倒塌失效模式和竖向连续倒塌失效模式，以结构的倒塌极限状态方程为切入点，系统研究钢筋混凝土框架结构在罕遇地震作用下倒塌的失效概率分析方法、失效后果评估方法和失效风险评估方法；在此基础上，利用JCSS提出的基于风险的鲁棒性指标，深入地研究结构抗震鲁棒性的变化规律，定量地揭示结构的抗震鲁棒性与结构的整体超强、延性和冗余性的相互关系；研究完整结构基于整体位移需求能力系数设计表达式的抗侧向增量倒塌设计方法和损伤结构基于整体承载力鲁棒性系数的抗竖向连续倒塌设计方法，给出提高结构可靠性和鲁棒性的概念设计准则和抗震构造措施建议，从而为汶川地震后的建筑抗震设计规范修订提供理论依据和决策支持。

本项目以钢筋混凝土框架结构为研究对象，针对罕遇地震作用下结构倒塌的复杂失效问题，对结构抗震鲁棒性的基础理论和抗地震倒塌设计方法进行了深入的研究，取得了如下研究成果：（1）研究了结构鲁棒性的定量测度，得到了考虑本质及知识不确定性的地震易损性函数解析表达式，提出了结构整体抗震可靠度分析的广义FORM方法和改进HOMM方法；（2）提出了基于地震动物理模拟的一致危险性谱和条件均值谱生成方法，给出了地震动加速度记录和强度参数选择的统计方法；建立了考虑梁-柱节点模型和填充墙影响的钢筋混凝土框架精细化有限元模型，采用自适应Pushover和IDA方法，对二维和三维结构的抗震性能、地震损伤演化规律和倒塌破坏机制进行了数值模拟分析；（3）进行了两个缩尺模型的钢筋混凝土空间框架振动台试验，研究了其抗震性能、损伤演化规律和地震倒塌模式，验证了数值模型的正确性；（4）得到了侧向增量倒塌的7种典型失效模式，提出了基于构件可靠度分析的最可能失效构件识别方法和基于整体可靠度分析的最可能倒塌失效模式判别方法，提出了基于随机IDA的侧向倒塌地震易损性分析方法和基于解析表达式的侧向倒塌可靠度分析方法；（5）研究了竖向连续倒塌的失效模式，采用基于备用荷载路径的Pushdown方法和竖向IDA方法对结构的抗连续倒塌能力进行了分析，建立了连续倒塌极限状态方程，提出了结构连续倒塌易损性分析方法和连续倒塌极限状态可靠度分析方法，得到了综合考虑增量倒塌和连续倒塌失效模式的结构地震倒塌失效概率及其灵敏度变化规律；（6）对钢筋混凝土框架结构的地震损失评估进行了深入的研究，引入巨灾风险学和保险学理论，得到了地震直接经济损失、间接经济损失和人员伤亡损失的概率与区间评估结果，采用汶川地震中广元地区的地震经济损失调查数据验证了方法的正确性；（7）采用确定性方法、可靠性方法和基于风险的方法，对钢筋混凝土框架结构的抗震鲁棒性及其参数灵敏度进行了系统的分析；（8）提出了基于需求能力系数法的结构抗侧向倒塌设计方法，建立了基于综合反应修正系数的结构抗连续倒塌设计方法，给出了基于风险的结构抗地震倒塌鲁棒性综合设计方法和概念设计准则，参加了《房屋建筑防倒塌设计规程》的编制。培养毕业博士3人，硕士11人，出站博士后5人；参加国际会议17人次，国内会议26人次；发表论文58篇，检索33篇；与UCSD和马来西亚大学进行了合作交流。