近年来，工程结构大型化和复杂化的发展需求日益凸显，亟需发展高性能土木工程结构以及与其相适应的新型工程结构材料、结构形式、分析手段、设计方法和试验装备等。为此，在中国科协“2021年度全国学会期刊出版能力提升计划”的支持下，《建筑结构学报》组织了“高性能工程结构”专题。本期聚焦于该专题的结构设计方法方向，特邀哈尔滨工业大学（深圳）李祚华教授、滕军教授为您解读基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法。

基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法

1.

研究背景

高层结构地震作用下倒塌主要由结构局部损伤破坏引起，其根本原因是高层结构中框架、支撑框架、剪力墙（核心筒）等抗侧分体系在局部过度消耗超静定次数，形成薄弱部位直至机构，丧失整体抗侧能力。目前，“两阶段”设计方法或直接基于极限状态性能（能量、位移、力等）的等效弹性设计方法，忽略了地震作用下结构塑性发展存在多样失效路径和大量不同失效模式问题，亟需深入研究高层结构地震失效的具体模式及其设计方法，以提升高层结构在罕遇地震下抗倒塌能力。

为此，课题组针对高层结构，提出一种在罕遇地震作用下塑性发展充分、失效方向可控、失效路径延长的渐进地震失效模式，建立与渐进地震失效模式相匹配的标准地震作用，给出能够反映结构塑性发展全过程的多阶段塑性抗震性能量化需求，提出基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法。

2.

结构渐进地震失效模式

2.1 渐进地震失效模式的提出

结构地震失效是由结构构件逐步失效引起的，由不同类别构件的失效类型、失效顺序及失效区域，形成不同的结构地震失效模式（图1）。高层结构薄弱层或局部地震失效模式的本质是结构各抗侧分体系构件集中在薄弱层或局部区域进行塑性内力重分配，造成失效路径中断，失效范围不充分。针对高层结构体系，需依据结构抗侧力分体系间各自的力学性能、受力特点和内力重分布等特性，建立高层结构具有清晰路径的构件交替逐步屈服(失效）和分批次充分耗能的渐进地震失效模式，解决高层结构因构件数量庞大造成失效路径和模式不可控而难以抗罕遇地震设计的难题。

图1 结构地震失效模式

2.2 渐进地震失效模式的实现

2.2.1 结构抗侧分体系间构件分类交替逐步屈服

依据各抗侧分体系抗侧刚度和变形能力的不同（如核心筒刚度大，而变形能力弱，外框架刚度小，而变形能力强），确定了各抗侧分体系间多次反复受力和变形协调关系，基于各抗侧分体系在多次反复受力过程中各类构件承载力分配关系，设计了高层结构从连梁、支撑、框架梁、墙肢至框架柱分类交替逐步屈服顺序（图2），实现了分体系刚度依次交替衰减和剪力定向往复转移的多阶段塑性发展（图3），避免高层结构发生集中失效。

图2 构件分类交替逐步屈服

图3 交替屈服与分体系受力的因果关系

2.2.2 结构抗侧分体系内耗能构件分批次充分耗能

高层结构塑性发展往往集中于结构中下部，耗能构件塑性难以分批次逐步、充分发展至结构上部。考虑到楼层剪力沿高度方向自上而下逐渐增大，分配到各批次耗能构件的剪力不同会影响各批次耗能构件的屈服顺序。因此可以依据沿高度方向的剪力分配关系，控制耗能构件按自上而下、自下而上或自中间向两端等顺序分批次充分耗能（图4），共同工作并各自达到极限状态（图5）。耗能构件分批次充分耗能有效延长了耗能路径，实现了高层结构在地震作用下的失效方向可控、失效路径延长、塑性发展充分的渐进地震失效模式，提高了整体结构的抗力、延性及耗能能力。

图4 耗能构件分批次充分耗能

图5 共同工作达到极限状态

3.

基于多阶段振型组合的往复加载标准地震作用

为反映地震作用过程中结构多阶段塑性内力重分布特点和地震动持时、频谱及幅值特性，建立了考虑瞬时振型组合、往复加载历程和塑性内力调整的结构静力标准地震加载模式，解决了由地震作用随机性引起的失效模式离散性问题。

3.1 基于多阶段振型组合的侧向力分布模式

地震作用下高层结构的侧向力分布模式确定不能忽略高阶模态侧向力的影响，且结构进入塑性后侧向力的分布会随结构塑性程度不同而发生变化。本文中以结构基本振型和高阶振型的多种振型组合反映结构动力特性，通过不断调整结构在塑性发展全过程中的侧向力分布模式以考虑结构塑性内力重分布特性影响。第j塑性发展阶段中侧向力F分布模式见下式：

其中：R_i 为第i振型的组合系数；Φ_i,j为第j塑性发展阶段的第i振型的振型向量；α_i,j为第j塑性发展阶段的第i振型自振周期相对应的地震影响系数；γ_i,j为第j塑性发展阶段的第i振型的参与系数；G为结构楼层重力代表值向量。

3.2 侧向力往复加载方式及结构目标位移

为综合考虑地震动持时、频谱及幅值特性影响，采用如图6所示的往复位移历程，其具有不依赖于地震动随机性的特性。进而结合基于结构在各塑性发展阶段的需求谱，确定结构在各塑性发展阶段的目标位移。

图6 往复加载位移历程

4.

抗罕遇地震设计方法

通过高层结构渐进地震失效模式明确了结构多个塑性发展阶段，在不同塑性发展阶段采用相匹配的标准地震作用，确定了结构塑性发展全过程中有限的关键点，并给出了相应的量化设计指标，实现了基于渐进地震失效模式的抗罕遇地震设计。该方法将高层结构地震失效全过程的复杂设计简化为有限塑性阶段的分阶段设计。具体设计流程如图7所示。

图7 结构抗罕遇地震设计方法流程

5.

算例分析

5.1 抗罕遇地震设计

以10层5×5跨高层结构为例（图8），对高层结构进行抗罕遇地震设计。该高层结构设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。沿高层结构自上而下的方向划分了3个塑性发展区域和阶段，确定了与高层结构3个塑性发展阶段相应的3个批次耗能构件的屈服顺序，规划了高层结构自上而下分批次充分耗能的渐进地震失效模式。以结构3个塑性发展阶段为性能控制关键点，采用相匹配的标准地震作用，设定抗震性能目标（表1），给出了各批次耗能节点承载力的量化设计指标，完成了基于渐进地震失效模式的抗罕遇地震设计。

图8 结构平面及立面

表1 高层结构抗罕遇地震设计目标

5.2 抗震性能对比分析

5.2.1 塑性发展

选取10条地震动，地震动反应谱与规范反应谱对比如图9所示。

图9 地震动反应谱与规范反应谱

规范设计结构（按规范方法设计的结构）和抗罕遇地震设计结构（按所提方法设计的结构）的塑性发展分别如图10、11所示，图例中数值代表混凝土梁端和耗能节点屈服荷载的倍数。由图可见，随着地震动峰值加速度增加，抗罕遇地震设计结构的耗能构件自上而下逐渐进入塑性，并共同达到极限状态。而规范设计结构的耗能构件在低地震动峰值加速度（0.1g）作用下大部分梁已进入塑性，在强地震动加速度（0.22g）作用下结构塑性并没有进一步发展。抗罕遇地震设计方法能够充分利用耗能构件，可以实现结构分批次耗能和多阶段塑性发展。

图10 按规范方法设计的结构塑性发展

图11 按所提方法设计的结构塑性发展

5.2.2 耗能能力

规范设计结构和抗罕遇地震设计结构在不同地震动峰值加速度作用下的整体耗能如图12所示。由图可见，抗罕遇地震设计结构在不同地震动峰值加速度作用下的整体耗能均高于规范设计结构，验证了基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法能够有效提高结构整体耗能能力。

图12 结构在不同地震动峰值加速度作用下耗能

5.2.3 非线性抗力

规范设计结构和抗罕遇地震设计结构的基底剪力-顶点位移（V₀-θ）关系曲线如图13所示。由图可见，通过控制抗罕遇地震设计结构的耗能构件分批次充分耗能，降低了关键竖向构件（柱）的损伤，提升了结构非线性抗力（基底剪力），验证了基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法能够实现结构非线性抗力提升。

图13 不同结构静力弹塑性推覆曲线

6.

结论与展望

1）确定了基于构件交替屈服和耗能构件分批次充分耗能的多阶段塑性发展路径，提出了高层结构失效路径清晰的、耗能充分的渐进地震失效模式。

2）建立了基于多阶段振型组合往复加载的标准地震作用，该地震作用考虑了结构多阶段塑性发展过程中地震作用的往复特性、高阶振型影响和非线性内力重分布过程。

3）提出了基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法，算例分析表明，抗罕遇地震设计方法能够有效提升结构耗能能力和非线性抗力。

特约供稿专家

哈尔滨工业大学（深圳） 李祚华 教授 | 滕军 教授

李祚华：博士，哈尔滨工业大学（深圳）教授，博士生导师，长期从事高层建筑结构地震失效模式与抗震性能等方向的研究工作。主持国家自然科学基金项目3项、省市级项目8项，子课题负责国家自然科学基金重大科研仪器研制项目1项、重点项目1项，参与国家自然科学基金重大国际（中美）合作研究项目1项。作为核心成员获得广东省科技进步一等奖2项（排名第二、四）、教育部科技进步一等奖1项（排名第三）、深圳市科技进步一等奖2项。获得国家出版基金资助出版专著1部，申请和授权发明专利50余项，在国内外重要期刊和学术会议上发表论文130余篇，其中SCI收录60余篇。

滕军：博士，哈尔滨工业大学（深圳）教授，博士生导师，国务院特殊津贴专家。提出了基于最优失效模式的抗灾结构体系及设计理论，搭建了成套的结构抗震分析和评价平台，建立了系统的结构灾害监测和控制的理论、技术和方法，并进行了重大工程的实践。主持国家重大科研仪器研制项目1项、国家科技支撑计划重点课题1项、国家研发计划重点专项课题1项、国家自然科学基金重点项目2项、面上项目7项，参与国家自然科学基金重大国际（中美）合作研究项目1项。获得国家科技进步二等奖2项，省部级一等奖6项。出版专著2部，参编国家标准3本，发明专利50余项，发表论文300余篇，SCI、EI收录270余篇。