基于第二代性态理论的结构地震和连续倒塌评估与统一设计研究

Considering existing issues in the evaluation and design for structural seismic collapse and progressive collapse, the project aims at the development of the evaluation method and unified design method to these collapses based on the Next-Generation Performance-Based Theory. The reinforced concrete frame and reinforced grouted concrete block masonry structure are used as research objects. Numerical methods which can analysis various failure patterns of the two types of structures will be used by development of the combined axial-flexure-shear-torsion beam-column element model and a new type of masonry material constitutive model. Two collapse tests on the scaled models of the two types of structures will be processed. The structural performance and collapse mechanism will be determined by experimental and numerical results, and the tested structures are used for verification of the proposed unified collapse-resistant design method. The performance-based collapse evaluation method considering hazard load analysis, structrual response analysis, fragility analysis, and loss analysis, meanwhile the load and numerical model uncertainties will be also studied. The performance-based progressive collapse-resistant design method will be studied, and will be merged with the performance-based seismic collapse-resistant design framework, to propose a unified collapse-resistant design method for the two types of collapses. The project will provide reference and support to advance the theory of performance-based evaluation and design methods on the structural collapse and improve the seismic design codes.

针对目前建筑结构的地震倒塌和连续倒塌两种破坏形式在评估与设计中存在的问题，以钢筋混凝土框架和配筋砌体两类结构为研究对象，研究基于第二代性态理论的结构地震和连续倒塌评估与统一设计方法。首先，通过开发轴弯剪扭耦合破坏梁柱单元和新型砌体材料本构关系，提出具有分析两类结构倒塌过程且能够考虑构件各种失效模式的数值建模和分析方法，为基于性态理论的实施提供分析工具。其次，进行两类结构的倒塌试验，结合试验结果和数值分析结果获得两类结构的性态变化过程和倒塌机理，同时将其作为设计方法的验证结构。然后，研究综合考虑灾害荷载危险性、结构反应、结构易损性、经济损失以及荷载和模型不确定性等因素在内的基于第二代性态理论的结构地震和连续倒塌评估方法。最后，以结构地震倒塌研究的理论框架为主，结合连续倒塌分析，提出结构抗倒塌统一设计方法。本项目可为推动结构抗倒塌能力的评估与设计理论发展、完善结构设计规范提供依据和理论支持。

地震作用和偶然荷载（可能由车辆撞击、恐怖袭击、火灾、爆炸、使用不当、施工不当等引起）是建筑结构常见的两种倒塌诱因，可能引起建筑结构在地震作用下发生倒塌或在偶然荷载下发生连续倒塌。本项目针对目前建筑结构的地震倒塌和连续倒塌在设计中可能存在的问题，研究了建筑结构的抗震和抗连续倒塌统一设计方法，并将基于第二代性态理论的方法融入设计过程。该方法实现的思路是以结构抗地震倒塌研究的理论框架为主，结合抗连续倒塌分析，进而实现结构具有抗两种类型倒塌的能力。提出的建筑结构抗倒塌能力增强设计方法，可以实现在等造价情况下显著提升结构抗地震倒塌的能力；提出的建筑结构抗连续倒塌设计方法主要针对结构抗倒塌承载力的解析计算方法开展，这些抗力来自于梁和楼板；研究了结构中人员伤亡评价的方法，将地震逃生与人员伤亡结合在一起考虑；为了提升计算效率并使提出的方法更可能被用于工程实践，研究了地震动的截断方法和等效地震动激励方法。本项目可为推动结构抗倒塌能力设计理论发展、完善结构设计规范提供依据和理论支持。