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上观新闻 03-07

大楼“长高”如何抗震?同济大学科学家探索“如竹之韧”

大楼越造越高,体量越来越大,造型结构越来越复杂,面对强震和飓风等自然灾害,这些建筑能否屹立不倒?" 小震不坏,中震可修,大震不倒 " 是建筑结构抗震设计的理念,大震不倒,是否就意味着高昂的造价?

面对国家重大战略需求,上海防灾救灾研究所所长、我校土木工程学院特聘教授李杰认为,建设韧性城市,结构分析和设计理论需要变革,精细化分析与整体优化设计势在必行。" 打个不恰当的比喻,台风过境,有些大树可能会倒,竹子反而不会,所以,增加承载力储备的传统做法,未必就一定没有风险,而且承载力储备就意味着高成本,最重要的是,长此以往,结构工程和防灾科学就会裹足不前。"

李杰教授在工地

经过 15 年的持续科研攻关,李杰领衔的 " 复杂建筑结构精细分析与整体抗灾性能调控关键技术 " 项目给出了更安全更经济的答案:基于建筑结构的精细化分析,对建筑结构进行整体抗灾性能优化,可以提升大型复杂建筑结构整体抗灾性能,并显著降低结构造价。该项目荣获 2019 年度上海科技进步奖一等奖。

需要解决三个关键难题

李杰介绍,要实现结构精细化分析与整体抗震优化设计,需要解决三个关键难题:材料非线性的合理反映、结构破坏的准确模拟、复杂结构的优化设计。" 在强震作用下,材料会出现非线性行为,比如混凝土会开裂甚至压碎,钢材会屈服甚至断裂,传统的结构设计理论,无法反映这些非线性行为,更谈不上从材料损伤到结构破坏的全过程模拟。"

李杰带领团队追本求源,建立了钢筋混凝土复合材料弹塑性损伤理论,构建了混凝土弹塑性随机损伤物理模型,首次实现了钢筋混凝土复合材料静、动力非线性行为的综合反映。美国科学院院士、工程院院士巴让特(Bazant)教授盛赞该模型是 " 一个出类拔萃的混凝土模型 "。

" 在国际上,这是一个长期悬而未决的难题。我们的理论成果经过了充分的实验验证。" 李杰说,"6 年,1042 组实验,我们课题组的任晓丹副教授和同学们一起付出了艰苦的努力。"

李杰教授和课题组陈建兵教授在上海中心工地

值得一提的是,2010 年,该损伤模型被纳入我国《混凝土结构设计规范》,这是国际范围内首次将混凝土损伤模型引入国家标准。" 设计规范引入理论模型的案例很少,设计规范强调应用,我们的损伤模型理论性比较强,但好用。" 任晓丹告诉记者,十年的应用证明,损伤模型在设计界大受欢迎,并形成了自己的话语体系。比如,针对大震非线性分析的结果,设计师们的讨论模式通常是这样的:" 有哪些损伤?损伤在哪些位置?" " 算出来的损伤主要集中在哪个部位?哪些损伤可以减少一些?" ……

理论创新的价值远不只于此。李杰介绍,损伤模型并不仅仅适用于结构抗震设计,山东建筑大学将损伤模型应用于复杂建筑结构的移位," 准确地模拟了托换梁混凝土开裂过程和新老混凝土界面脱离过程 ",该技术成果与山东建筑大学多年来的研究成果一起获得了 2014 年国家技术发明二等奖。

在理论创新的基础上,团队研发了大型结构非线性分析软件系统 ADARCS,建立了复杂建筑结构的精细化分析技术平台,实现了复杂建筑结构从材料损伤到结构倒塌全过程的精细化分析。李杰告诉记者,该技术解决了诸多历史难题,如框架梁坍塌效应的模拟、复杂构件的受力分析等等,在国际上均处于技术领先地位。

" 比如这个美丽的蝴蝶形曲线,是开口剪力墙的滞回行为模拟曲线,也是国际上知名的难题。很多人能做出这个试验,但无法通过模型模拟出这个曲线。我们发展的技术,完美再现了这类极具挑战性的试验结果。" 李杰说,这个蝴蝶形的曲线在国内外各大国际会议报告现场收获惊叹无数," 这个曲线有隐式和显式两种算法,隐式结果更稳定,国际上能做出显式曲线的,一个巴掌数得过来,但能做出隐式曲线的,目前只有我们课题组。"

结构精细化非线性分析软件与模块研发

揭开了大型复杂建筑结构从材料损伤、构件破坏到结构倒塌全过程的神秘面纱,有了软件的加持,对各类建筑整体抗灾性能进行精准调控就不再是难事。" 常规优化,主要体现在用钢量上。" 李杰介绍,基于可靠度的结构敏感性分析,依据指标敏感度进行结构优化设计,在确保结构满足规范要求的同时,可以显著降低结构造价,比如 6 月 28 日刚刚开工的苏州第一高楼中南中心,抗震优化设计后,仅主体结构构件,即可节约钢材 1067.4 吨。

" 另外一种优化,是实现了主体结构与减振装置的一体化设计。基于精细化分析,针对薄弱部位,可以设计减震装置的布置位置和形式等,显著提升建筑的整体抗灾性能。" 李杰说。

结构精细化非线性分析软件与模块研发

据悉,软件开发后,李杰团队还在国际知名开源结构分析软件平台 OpenSees 上以 " 中国规范模型 " 名义贡献了模块,并基于国际知名有限元平台 ABAQUS 进行了二次开发。

据悉,项目已获得 5 项国家专利、5 项软件著作权,出版学术专著 1 部,发表 SCI/EI 论文 78 篇。截止 2017 年,成果已直接应用于 30 余座大型复杂结构的精细化分析与优化设计,显著提高了结构的抗震性能。据不完全统计,全国在建 300 米以上的超高层项目中,有 10% 的项目直接应用了该技术。项目成果近三年实现直接经济效益 4.75 亿元,间接经济效益 7.85 亿元。

项目代表性工程应用

摩天大楼 " 下盘功夫 ",同济早有探索

帮助摩天大楼练就更多稳扎稳打的功夫,同济大学早有探索。解放日报 · 上观新闻记者获悉,该校结构工程与防灾研究所专家历经十余年,研发成功结构抗震防灾新技术,这一 " 中国功夫 " 日前首次在抗震研究强国日本实现工程应用,令建筑物的 " 马步 " 扎得更稳。

近年来,随着我国高层建筑结构体系越来越复杂,对高层及超高层建筑的抗震技术需求日益迫切。自 1994 年起 , 在吕西林教授带领下,课题组致力于开发新型的抗震防灾技术。吕西林坦言,在土木工程领域,原始创新非常少,他们的 " 马步新招 " 靠的是集成创新 , 即利用已有技术、设备 , 达到 "1+1>2" 的效果。相关论文已在国际一流专业杂志《地震工程与结构动力学》 ( EESD ) 上发表。

走在同济大学土木工程系楼梯上,常有人要问:那转角处贴着墙面、顶着天花板的人字形灰色结构干啥用?这正是专家们的得意之作:将橡胶耗能、油阻尼器这两大减震设备创造性地连在一起,不仅能令大楼抵抗住相当于 6 至 7 级强震的冲击,而且施工较传统方法更为简易。这一消能减震支撑体系,获得国家实用新型专利,并应用于上海市 3 项实际工程。如上海港汇广场商务办公楼的加固设计使用了这一创新技术,整个加固过程中广场基本未停业。

让摩天大楼的 " 下盘功夫 " 更强,同济大学专家再做 " 加法 ",采用各种滑动支座 " 并联 " 橡胶支座,组成全新的组合隔震系统,成功应用于超高建筑的基础隔震。据了解,它已在日本的 4 个高层建筑工程中发挥作用,当地企业数据显示,这一技术在达到相同抗震效果前提下,工程成本降低 10% 左右,产生直接经济效益 6169 万日元。

栏目主编:黄海华 本文作者:彭德倩 文字编辑:彭德倩 题图来源:图虫创意 图片编辑:雍凯

内文图片均同济大学供图

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