《复杂建筑结构精细化分析与抗震优化设计关键技术及工程应用》

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该项目属于土木工程领域建筑结构方向的研究成果。

项目组聚焦中国大规模城市化进程的重大需求,依托国家自然科学基金委创新研究群体项目以及“重大工程的动力灾变”重大研究计划重点项目等,在复杂建筑结构精细化分析的材料本构关系、新型结构单元和结构强非线性分析方法等核心技术方面,取得了一系列具有自主知识产权的高水平研究成果,并成功应用于一批代表性工程的抗震优化设计,取得了良好的经济和社会效益。主要技术创新内容如下:

(1)材料模型创新:混凝土弹塑性损伤本构关系及高效数值实现技术。系统建立基于拉-剪损伤机制和损伤能释放率的弹塑性损伤本构理论框架,考虑动力应变率效应的影响,提出具有广泛国际影响力的混凝土弹塑性损伤本构关系,并推广至钢筋混凝土复合材料;发展上述弹塑性损伤本构关系的高效稳定数值实现算法,有效解决结构动力灾变强非线性分析的收敛性和稳定性问题;相关研究成果写入中国现行的《混凝土结构设计规范》,填补了中国在混凝土损伤本构关系研究和标准化方面的空白。

(2)单元类型创新:新型钢筋混凝土纤维梁和精细化平板壳结构单元。提出基于力法的隐式梯度纤维梁柱单元,并发展考虑损伤的等效节点荷载和内力动态求解等实用技术,显著提高了钢筋混凝土梁柱构件分析的计算精度、计算效率和数值健壮性;开发具有平面内转角自由度的精细化平板壳单元,有效解决了钢筋混凝土剪力墙与梁、柱或连梁连接时的建模难题。上述研究成果为大型复杂建筑结构的精细化分析奠定了技术基础。

(3)结构分析创新:大型复杂建筑结构动力灾变模拟分析技术和平台。发展结构快速有限元建模、材料/单元多尺度失效准则以及材料/结构双尺度一致割线算法等复杂建筑结构动力灾变分析技术,实现了复杂建筑结构从材料损伤到构件失效、再到结构部分或整体倒塌等全过程的精细化分析;开发了混凝土弹塑性损伤本构关系的ABAQUS子程序和大型钢筋混凝土结构非线性分析软件包ADARCS,为复杂建筑结构动力灾变行为的精细化模拟提供了分析平台。

(4)应用方面创新:基于结构整体可靠度敏感性的抗震优化设计技术。深入研究复杂建筑结构动力灾变行为,系统揭示地震作用不确定性对结构整体抗震可靠度的影响规律;提出基于结构整体可靠度敏感性分析的抗震优化设计和粘滞阻尼器优化布置等技术,并成功应用于上海中心、成都绿地中心、武汉绿地中心等复杂建筑结构,在保证结构安全性的同时显著提升了结构的性价比,取得了明显的社会和经济效益。

基于上述创新性研究成果,项目组参编国家规范1部,出版中文专著1部;发表论文100余篇,其中SCI收录32篇,EI收录46篇;获得华夏建设科学技术一等奖1项、国际顶级学术期刊奖励1项;获批发明专利3项、实用新型专利2项、软件著作权5项。项目研究期间,主要完成人获批国家自然科学基金委创新研究群体1个、杰出青年基金1人、优秀青年基金1人、全国优秀博士学位论文提名奖2人。

成果说明

该项目成果已直接应用于20余座复杂高层、超高层建筑结构、10余座大型综合体建筑项目的精细化分析与抗震优化设计中,明显提高了城市重大工程结构的抗震性能,取得了显著的社会与经济效益。包括: 2013年 7月-2017 年 10 月,同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司将该项成果应用于苏州中南中心结构(高 598 米)、武汉绿地国际金融城 A01-1项目 1号楼超高层项目(高 575米)、成都绿地中心(高 468 米)、吴江绿地中心(高 358 米)、绿地中心-杭州之门工程结构(高310 米)、厦门帝景苑工程

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