150603谢礼立报国家奖-建筑结构基于性态的抗震设计理论、方法及应用

建筑结构基于性态的抗震设计理论、方法及应用中国地震局工程力学研究所哈尔滨工业大学中国电子设计研究院中国建筑西南设计研究院北京建筑大学谢礼立，翟长海，马玉宏，郑文忠等完成人：汇报人：谢礼立完成单位：汇报提纲二、创新点和相关技术内容四、知识产权情况三、国内外同类技术比较五、第三方评价六、推广应用和经济社会效益七、主要完成人贡献一、立项背景及总体思路一、立项背景及总体思路二、创新点和相关技术内容四、知识产权情况三、国内外同类技术比较五、第三方评价六、推广应用和经济社会效益七、主要完成人贡献一、立项背景及总体思路汇报提纲一、立项背景及总体思路中国一直是全世界遭受地震灾害最严重的国家，抗震防灾已经成为保障我国社会和经济可持续发展的重大战略中国一半国土位于强震区20世纪中国大陆地震灾害统计死亡59万伤残76万受灾人口数亿倒塌600余万间间接经济损失数千亿直接经济损失数百亿实现抗震减灾的关键在于提高土木工程的抗震能力，当前最先进的理念是基于性态的抗震设计！基于性态抗震设计控制经济损失保障使用功能控制人员伤亡保证生命安全传统抗震设计理论定量半定性/半定量经验建筑结构基于性态的抗震设计是国家和社会的重大和迫切需求，是国际前沿和热点！1.将破坏势不明确的设计地震动和离散性巨大的抗震设计谱，发展为破坏势能确定的地震动和降低不确定性的统一设计谱。需突破三大技术难题实际地震动记录选择无章可循近场地震动识别及抗震量化设防需求迫切设计谱存在明显变异性和离散性需突破三大技术难题2.将依据经验确定的不考虑地区差异的三水准、单一目标的设防标准提升为可以控制破坏、伤亡和损失的全概率、多目标的定量标准。大、中、小地震差异忽略地区危险性差异设防目标难以满足性态定量设计的要求经验的设防标准无法控制人员伤亡小震不坏中震可修大震不倒3.多水准、多目标性态设计要求抗震分析更精确；将性态设计理论，拓展到超高、超限工程的抗震设计及既有建筑物的抗震加固改造。需突破三大技术难题现有抗震加固方法和技术未考虑房屋的多目标性态要求性态设计需更可靠的结构分析方法超高超限工程体量大、结构复杂，对抗震设计方法和体系提出更高要求基于性态抗震设计理论存在三大难题，阻碍了抗震科学技术发展基于性态的抗震设计规范更是空白，难以在工程中实施建立了完备的基于性态的抗震设计理论及技术，引领了土木工程抗震减灾学科的发展1994年以来历经20年攻关中国地震局工程力学研究所哈尔滨工业大学中国电子工程设计院中国建筑西南设计研究院北京建筑大学项目名称项目来源起止时间大陆强震机理与预测项目1998-2002大型复杂结构设计地震动及基于性态的抗震设防标准1998-2002强震动破坏性作用特性及地震动场模拟方法研究2009-2012东北地区既有建筑综合改造技术集成示范工程2006-2010工程抗震设防原则、等级、目标研究1996-2000先后获20余项国家及省部级科技项目资助建筑结构基于性态的抗震设计理论、方法及应用形成基于性态的抗震设防标准、设计地震动及抗震设计方法等关键理论、方法及技术工程技术标准编制、工程建设推广应用抗震设防理论设计地震动理论和方法抗震设计方法及技术多概率水准设计地震动确定方法调整地震重现期确定结构重要性系数脉冲型地震动识别和近场地区抗震设计谱基于双规准谱的统一设计谱理论和方法改进的Pushover性态分析方法以设防地震为基础的抗震设计方法超高超限工程和既有建筑加固改造抗震性态设计方法和技术最优设防标准决策模型及抗震性态目标最不利设计地震动理论和方法汇报提纲二、创新点和相关技术内容四、知识产权情况三、国内外同类技术比较五、第三方评价六、推广应用和经济社会效益七、主要完成人贡献一、立项背景及总体思路创新点11.1首创了地震动潜在破坏势的综合判别方法，提出了最不利设计地震动的概念及理论推荐用设计地震动场地类型短周期结构输入（0.0-0.5秒）中周期结构输入（0.5-1.5秒）长周期结构输入（1.5-5.5秒）组号记录名称分量组号记录名称分量组号记录名称分量Ⅰ011995,乌苏地震乌苏NS011988,澜沧余震竹塘BNS#011988,澜沧余震竹塘BNS#EW#EW#EW#VERTVertVert021976,alaskasubduction,kodiak,u.s.naval260#021976,alaskasubduction,kodiak,u.s.naval260#021988,澜沧余震竹塘CNS350350#EW#VertVertVert031988,澜沧余震竹塘ANS#031988,澜沧余震竹塘CNS031976,alaskasubduction,kodiak,u.s.naval260#EWEW#350#VertVertVert首次给出了全球近百年来获取的万余条宝贵强震记录破坏势的排序，确保了结构抗震性态要求的实现创新点11.2首次提出了基于双规准谱的统一设计谱理论，有效地降低了抗震设计谱的不确定性发现了不同震级、不同距离、不同场地的反应谱一致性，使设计谱的变异系数下降40%0.11100246810AccelerationAmplificationPeriod(sec)Tp=0.5sTp=1.0sTp=1.5sTp=2.0sMean0.11100246810AccelerationAmplificationT/TpTp=0.5sTp=1.0sTp=1.5sTp=2.0sMean规准谱双规准谱创新点11.3建立了基于能量的脉冲型近断层地震动的定量识别方法，正确率可达98%，发展了近断层抗震设计谱规范设计谱比近断层谱最大低30%，为近断层地区结构抗震设防提供了科学依据脉冲型地震动识别方法近断层抗震设计谱02460.00.51.01.52.02.53.0GB50011-2010(SiteI)UBC1997(SB)UBC1997(SC)PresentedSpectralShape(Rock)T(s)创新点22.1建立了考虑地震危险性特征确定全概率水平设计地震的方法解决了我国“大震”、“小震”地震动取值未考虑地区特征的问题，纠正了我国约20%的地区设防水准偏低（高）的做法设计大震和小震地震危险性分区烈度差Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区规范值中、小震(63%)烈度差平均值1.781.280.821.55标准差0.250.200.22中、大震（2%）烈度差平均值0.970.770.541.0标准差0.130.100.13中、大震（3%）烈度差平均值0.750.590.411.0标准差0.100.080.10中、大震（5%）烈度差平均值0.450.350.241.0标准差0.060.050.06中国地震危险性特征图创新点22.2提出了通过调整地震重现期确定结构重要性系数的方法结束了凭经验确定内力调整系数的不合理做法，在国际上首次实现了确定结构重要性系数从经验判断到定量确定的跨越建筑重要性类别重要性调整系数Φ地震重现期TL=50·Φ甲4200乙2100丙150丁0.840建筑重要性调整系数及地震重现期)1212lg(9773.0)]}(1ln[lg{0IikiIP)lg85.0lg85.0lg(9773.0)}1ln(lg{10maxmaxkP)lg50.0lg50.0lg(9773.0)}1ln(lg{10KKkP全概率峰值加速度计算公式创新点22.3建立了同时保障生命安全和控制经济损失的最优设防标准决策模型，提出了各级设防地震动水平下最低抗震性态目标实现了抗震设防标准取值在生命安全与抗震经济投入之间的最佳平衡同时保障生命安全和控制经济损失的决策分析模型经济损失控制人员伤亡控制各级设防地震动水平下最低抗震性态目标多概率地震设防水准使用功能分类IIIIIIIV多遇地震（设计基准期内63%）基本运行充分运行充分运行充分运行偶遇地震（设计基准期内10%）生命安全基本运行运行充分运行罕遇地震（设计基准期内5%）接近倒塌生命安全基本运行运行创新点33.1提出了Pushover的两阶段加载模式及基于能量的MPA结构分析方法计算精度提高30%，解决了MPA分析中的不稳定问题两阶段加载模式能力曲线的不稳定问题-0.30.00.30.60.9024681012-0.30.00.30.60.9024681012谱加速度/ms-2基于顶点位移谱位移/m基于能量创新点33.2提出了以中震为基础、考虑结构使用类别的抗震性态设计方法结束了我国不区分结构类型及使用功能类别而采用相同结构影响系数的不合理做法，可有效保证建筑抗震性态目标的实现结构材料结构体系结构影响系数位移放大系数钢框架0.252.8框架中心支撑0.273.0框架偏心支撑0.252.3筒体和巨型框架0.302.7钢筋混凝土框架0.352.3框架抗震墙0.382.2抗震墙0.402.5部分框支抗震墙0.402.5板柱抗震墙0.382.2框架核心筒0.382.2地震作用确定C的取值II(1.0)/2.0III1.0IVCRC类建筑类建筑类建筑FRG创新点33.3发展了超高、超限工程和既有建筑加固改造抗震性态设计方法和技术成功应用于北京银泰中心和全国最大增层改造工程等重大工程的抗震设计自承重砼结构超高、超限工程抗震性态验算标准房屋类型使用类别受力构件多遇地震设防地震罕遇地震剪力墙结构IV类底部加强区域剪力墙弹性弹性控制截面允许开裂，但裂宽0.10mm；无受剪斜裂缝；竖向及水平分布钢筋不屈服一般楼层剪力墙弹性弹性控制截面允许开裂，但裂宽0.15mm；斜截面受剪允许裂缝，但斜裂缝宽0.1mm；竖向及水平分布钢筋不屈服连梁弹性弹性连梁梁端允许开裂，但裂宽0.25mm斜交网格结构高强箍筋柱汇报提纲二、创新点和相关技术内容四、知识产权情况三、国内外同类技术比较五、第三方评价六、推广应用和经济社会效益七、主要完成人贡献一、立项背景及总体思路技术内容技术现状本成果设计地震动理论和方法无法判断地震动潜在破坏势的强弱，抗震设计谱中存在的极大不确定性首次提出了最不利设计地震动理论及基于双规准谱的统一设计谱，使抗震设计谱离散性下降40%抗震性态设防理论主要依靠经验确定设防水准和设防目标实现了定量控制地震损失和伤亡的全概率、多目标设防抗震性态设计方法及技术体系基于性态抗震设计及加固改造方法和技术不成熟提出了完整的基于性态的抗震设计及加固方法和体系，结束了无章可循的局面汇报提纲二、创新点和相关技术内容四、知识产权情况三、国内外同类技术比较五、第三方评价六、推广应用和经济社会效益七、主要完成人贡献一、立项背景及总体思路获得国家发明专利3项软件著作权3项编著8部规范或规程，其中主编3部，参编5部出版专著4部，其中包括我国首部基于性态设防标准方面的专著在EESD、BSSA等国际权威期刊和国内各类一级学报等重要刊物发表论文188篇，其中SCI/EI收录136篇高水平论文的发表，从理论上解决了建筑结构基于性态抗震设计理论和方法的技术难题汇报提纲二、创新点和相关技术内容四、知识产权情况三、国内外同类技术比较五、第三方评价六、推广应用和经济社会效益七、主要完成人贡献一、立项背景及总体思路由王光远院士、周锡元院士、范立础院士、欧进萍院士等组成的鉴定委员会对研究成果的评价：1.鉴定意见成果有力地推动和促进了相关学科的发展。多项是国内首创，有4项在国际上迄今未见报道。1.鉴定意见周福霖院士任组长的鉴定委员会对《抗震设计谱及输入地震动》成果的评价：成果创新性突出，可操作性强，已在国家和地方规范制定中获得应用，取得了显著的社会效益，成果整体达到国际先进水平，部分居国际领先水平。对编制国家的、行业的、地区的抗震设计标准具有指导和参考意义，具有创新性和超前性。周锡元院士任组长的审查组对《建筑结构抗震性态设计通则》评价：1.鉴定意见将《通则》作为修订工作的重要依据，纳入新版《建筑抗震设计规范》，对提高房屋结构防灾减灾能力和经济性具有重要意义。国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）编制组的评价：2.行业认可成果在《建筑抗震设计规范》（