動力荷載下基于全程耗能機制的鋼結構性態(tài)與設計方法

本項目重點研究地震作用下鋼結構體系的滯回耗能能力，將結構體系歸納為構件集承重與耗能功能于一體的“功能集成體系”和承重構件與耗能器件各自行使獨立功能的“功能分離體系”。以具有“功能集成體系”特點的鋼結構為主要對象，研究其材料、構件、不同構造的連接和結構體系的耗能特性、機理、耗能能力評估方法，獲得如下重要結果：（1）首次實現(xiàn)了±10%大應變范圍內的應力-應變滯回試驗，揭示了在大應變范圍內鋼材應力-應變采用彈性-強化-塑性關系才能準確進行耗能能力評估；建立了適合大應變范圍的鋼材應力-應變滯回模型。標定了結構鋼材基于微觀機制的斷裂模型的各項參數(shù)，可以追蹤鋼材直至發(fā)生延性斷裂為止的全過程行為。（2）研究了鋼板組合體彈塑性局部屈曲相互作用的規(guī)律，揭示了屈曲與塑性耦合條件下薄板的耗能機制在于面外彎曲造成的鼓曲區(qū)域局部耗能。建立了H截面和方管截面考慮板件彈塑性相關屈曲效應的寬厚比限值。建立了薄柔H截面鋼構件屈曲后塑性極限承載力的計算方法和雙向壓彎條件下的極限承載力相關公式，計算精度顯著高于歐洲規(guī)范。提出了“屈曲鉸”概念和條件，驗證了薄柔構件鋼框架可實現(xiàn)有限延性，可在地震設防區(qū)采用耗能設計。研制了兩種具有功能集成特點的鋼構件：采用角鋼部件的可更換區(qū)段耗能梁；分段集中耗能且失穩(wěn)方向可控的柔性支撐。（3）揭示了典型節(jié)點的滯回耗能模式與特性，包括外環(huán)板對鋼管柱節(jié)點域產生套箍拉結效應，有利節(jié)點域耗能；鋼管混凝土柱-鋼桁架連接區(qū)段耗能具有壓彎剪特征；梁貫通式螺栓節(jié)點具有多組件耗能特性。提出了能量耗散與延性協(xié)同發(fā)展的節(jié)點設計方法。研究并實現(xiàn)了有效提升薄腹節(jié)點域和薄腹梁耗能能力的構造方案，研制了具有超大轉動能力和可修復性的鑄鋼模塊元件與節(jié)點以及基于形狀記憶合金的變形可恢復節(jié)點。建立了考慮空間多維性態(tài)和滯回劣化特征的典型節(jié)點滯回模型。（4）提出了優(yōu)化的滯回耗能設計應控制不同破壞模式的發(fā)生時序即“屈服時序”，提出了結構“損傷核”的概念、其恢復力骨架曲線特征以及實現(xiàn)條件。改進了推覆方法進行“損傷核”結構抗震設計。研制了3種能實現(xiàn)預期“屈服時序”的結構體系：半剛接鋼框架和柔性支撐組成的分層裝配體系，部分開間集中布置兼有“保險絲”功能的薄柔截面鋼梁、結構主體采用高強度鋼柱梁的復合框架體系，帶豎縫薄鋼板剪力墻-鋼框架體系，3種體系在大位移下殘余變形都較小，具有良好的可恢復性，且損壞構件可更換。 2100433B

動力荷載作用下的安全性始終是結構設計的基本問題之一。本項目以具有功能集成體系特點的多高層鋼結構為主要對象，以地震作用下的結構滯回耗能機制為中心，從構件、連接和結構體系3個層面系統(tǒng)研究結構耗能機理、耗能能力評估方法、以及損傷可控條件下有限耗能和極限條件下耗能最大化的設計方法；提出若干構件、連接和體系優(yōu)化耗能的新概念、新模式。本項目將深入揭示鋼結構耗能機理的基本規(guī)律，解決若干基礎性的結構非線性問題，如鋼板組合體塑性局部屈曲的板組相關性能，塑性與屈曲耦合時鋼板面內拉壓變形和面外撓曲變形的雙重耗能機制，節(jié)點多組件耗能組合模式，結構要素非線性行為發(fā)生的時序、程度和非同步變化對結構系統(tǒng)整體行為的影響，從而發(fā)展鋼結構耗能設計的基礎理論，為地震作用和其他極端動力荷載下結構抵抗局部破壞和倒塌破壞的設計提供更合理的方法，促進建筑鋼結構在節(jié)能減排、循環(huán)經濟和可持續(xù)發(fā)展中的更有效運用。

項目針對隨機動力荷載激勵下建筑結構的基于可靠度優(yōu)化設計進行研究。建筑結構的基于可靠度優(yōu)化設計，提供了一種兼顧結構可靠性和經濟合理性的科學的設計方法。其一方面將概率論和數(shù)理統(tǒng)計理論引入結構設計，利用可靠度或失效概率，科學和定量地衡量結構性能指標得到保證的可靠程度；另一方面力求以最低費用滿足結構的性能要求，以實現(xiàn)最佳的社會經濟效益。 項目的研究成果主要有：（1）針對隨機動力荷載激勵下線性結構系統(tǒng)的基于可靠度優(yōu)化設計，提出了基于過渡馬爾可夫鏈蒙特卡羅方法的全局優(yōu)化算法。通過在滿足所有約束條件的決策變量的可行域上構造合適的概率密度函數(shù)，原始的優(yōu)化問題可轉變?yōu)楦鶕?jù)構造的概率密度函數(shù)取樣的問題。研究采用過渡馬爾可夫鏈蒙特卡羅方法解決取樣問題，以確保馬爾可夫鏈的狀態(tài)點的穩(wěn)態(tài)概率分布較快地到達要求的概率分布。同時，研究采用區(qū)域分解法來估計備選決策變量的可靠度，以檢驗其是否滿足可靠度約束條件，即其對應的失效概率是否小于要求的限值。為提高優(yōu)化算法的計算效率，研究提出“最小計算成本”的概念，即針對備選決策變量的可靠度分析的計算成本，只需確?？煽慷燃s束條件的檢驗結果可靠即可。提出的基于可靠度優(yōu)化設計算法通過實例驗證，具備較好的性能。（2）針對隨機風荷載激勵下線性結構系統(tǒng)的首次穿越可靠度問題，提出了高效數(shù)值模擬算法。研究從該可靠度問題對應的失效區(qū)域的幾何分析入手，發(fā)現(xiàn)整體失效區(qū)域可由一系列高維二次基本失效區(qū)域的并集表示，且基本失效區(qū)域間存在旋轉對稱性。同時，基于梯度投影法，提出了高維二次基本失效區(qū)域設計點的求解算法，并以此改進了之前提出的針對首次穿越可靠度問題的數(shù)值模擬算法。改進的數(shù)值模擬算法的精度和提高的計算效率，通過實例得到了驗證。 2100433B

耗能減震加固技術和設計方法是傳統(tǒng)抗震加固技術和設計方法的突破和發(fā)展，是耗能減震技術和設計方法在抗震加固中的應用?！逗哪軠p震加固技術與設計方法》系統(tǒng)地論述了耗能減震加固的概念、原理、技術、設計方法及工程應用。全書共八章，內容包括耗能減震加固的概念與原理、耗能減震器的類型與性能、耗能減震器的恢復力模型、耗能減震加固結構的分析方法、耗能減震加固結構設計、基于性能的耗能減震加固結構設計、耗能減震加固結構的施工質量管理、方法與維護管理、耗能減震加固典型工程實例等。

《耗能減震加固技術與設計方法》可供土木工程等專業(yè)的研究、設計、施工、監(jiān)理人員使用，也可作為高等院校土木工程學科博士、碩士研究生和高年級本科生的教學參考書。

項目的研究對象為隨機動力荷載激勵下建筑結構的基于可靠度優(yōu)化設計。研究內容包括：(1) 線性結構系統(tǒng)的可靠度分析。其中的不確定性來源綜合考慮外界隨機動力荷載和結構模型參數(shù)失真；(2)模擬退火算法及子空間模擬法在研究對象中的應用及比較。作為全局優(yōu)化方法，模擬退火優(yōu)化算法將優(yōu)化問題轉化為根據(jù)構造的概率密度函數(shù)進行隨機取樣的問題，而子空間模擬法將優(yōu)化問題轉化為在一系列逐漸收縮且靠近全局最優(yōu)解的空間區(qū)域中隨機取樣的問題。項目通計劃通過計算實例應用，比較兩種方法在涉及設計變量較多情況下的性能。(3)基于可靠度的優(yōu)化設計中計算成本的控制研究。為降低計算成本，提高優(yōu)化設計的計算效率，項目計劃考察極大可能區(qū)間的思想：即根據(jù)可靠度分析估計的安全失效概率及其變異系數(shù)，估計備選設計對應安全失效概率所在的極大可能區(qū)間。針對備選設計進行的可靠度分析所需的最低計算成本需使容許安全失效概率在其提供的極大可能區(qū)間之外。