超高层建筑结构地震损伤和破坏全过程分析的弹塑性数值子结构方法

Study of seismic damage and failure process of super high-rise buildings requires large-scale nonlinear dynamic analysis. However there is no accurate and effective computation method to perform this analysis, thus it is difficult to perform a deep study on the mechanism of local damages and their propagation from components to the entire structural system. In this context, the project is to develop a novel efficient and practical method, namely elastoplastic numerical substructure method. This method changes the extremely difficult problem of large scale nonlinear seismic analysis into two separate sub-problems, i.e., moderate-scale linear elastic analysis for a master structure representing the entire large structure and a limited number of small-scale nonlinear analysis for nonlinear components simulated using isolated substructure models. The original problem is greatly simplified and computational efficiency significantly improved by this way. Furthermore, this project will apply the elastoplastic numerical substructure method to the studies of damage propagation mechanism, the effects of BRB component and soil-structure interaction on the damage evolution of super high-rise buildings. The expected results of this project are not only valuable to the theoretical study of these problems, but also provide a solid basis for broad engineering applications, including damage identification and evolution, structural health monitoring, whole failure process and collapse studies of super high-rise buildings.

超高层建筑结构地震损伤和破坏全过程分析涉及超大规模系统强非线性动力分析，目前尚缺乏能很好兼顾效率和精度的计算理论，难以深入研究地震过程中损伤的形成机理及其跨尺度演化机制。基于此，本项目拟提出新型高效、实用的弹塑性数值子结构理论和计算方法，把复杂的超大规模非线性计算问题转化为两个相对独立的子问题，即：整体主结构适度规模的线弹性分析，及数量和规模都较小的局部构件隔离子结构非线性分析，从而极大地减小了问题的难度，保证了计算效率和精度。应用此方法，本项目拟研究超高层建筑结构地震损伤和破坏全过程中局部构件损伤的力学机理及其跨尺度演化机制、防屈曲支撑BRB的作用、土-结构相互作用的影响等一系列具有超高层特征的结构问题。本项目预期成果不仅具有重要理论意义和学术价值，并为超高层建筑结构的损伤识别、健康监测、破坏全过程分析和倒塌模拟等诸多科学和工程问题的深入研究提供理论基础和重要计算工具，具有广阔应用前景。

超高层建筑的安全性是我国经济建设和人民生命财产的重要保障，因此对其在地震灾害过程中的损伤和破坏全过程分析至关重要。由于涉及到超大规模、强非线性的动力分析，目前缺乏能兼顾效率和精度的计算理论与方法。因此，本项目提出了一种新型、高效和精确的弹塑性数值子结构理论和计算方法，并建立了相应的并行分布式计算平台。基于该方法，本项目研究了超高层钢结构、钢混框剪结构、超高层结构-地基相互作用体系的动力非线性响应，验证了该方法的工程实用性。另外，本项目对装配BRB构件的高层结构、库水-坝体-地基耦合系统进行了动力弹塑性分析，还对复杂桥梁等在地震作用下连续倒塌进行了模拟。除此之外，还提出了高铁车-轨-桥耦合系统的精细化数值子结构方法。精细化子结构模拟是关键技术难题之一，本项目取得了一些突破性的进展：基于大量试验结果，提出了多种用于梁柱、剪力墙等局部关键构件的精细化模拟方法，并研究了主、子结构不同精细化程度模型之间的边界连接、数据交互方法，实现了不同软件平台的集成。具体而言，本项目建立了有限元-离散元耦合跨尺度模型，提出了一种基于离散颗粒体的新型混凝土精细化模拟方法，提出并改进了多交叉杆剪力墙材料模型，研究了基于近场动力学的钢混构件精细化模拟方法以及锈蚀钢筋混凝土构件的精细化模拟。另外，本项目还研究了预测改进的数值子结构方法，冲击荷载作用下的数值子结构分析方法，实现了基于隔离的车-桥试验子结构和桥梁有限元主结构联合求解的混合试验分析方法。本项目共培养硕士生13人（其中已毕业9人）和博士生4人。在国内外高水平期刊上共发表论文12篇，其中SCI收录11篇；发表专著1册；项目组成员多次参加国内外高水平学术会议及学术交流，组织高级别学术会议1次。本项目具有重要学术价值，为超高层建筑结构的损伤识别、破坏全过程分析和倒塌模拟等诸多问题的深入研究提供理论基础和重要计算工具。