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大樓“長高”如何抗震?同濟大學(xué)科學(xué)家探索“如竹之韌”

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2021-03-08  來源:中國混凝土網(wǎng)  作者:上觀新聞
核心提示:大樓越造越高,體量越來越大,造型結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,面對強震和颶風(fēng)等自然災(zāi)害,這些建筑能否屹立不倒?“小震不壞,中震可修,大震不倒”是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的理念,大震不倒,是否就意味著高昂的造價?


大樓越造越高,體量越來越大,造型結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,面對強震和颶風(fēng)等自然災(zāi)害,這些建筑能否屹立不倒?“小震不壞,中震可修,大震不倒”是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的理念,大震不倒,是否就意味著高昂的造價?


面對國家重大戰(zhàn)略需求,上海防災(zāi)救災(zāi)研究所所長、同濟大學(xué)土木工程學(xué)院特聘教授李杰認(rèn)為,建設(shè)韌性城市,結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計理論需要變革,精細(xì)化分析與整體優(yōu)化設(shè)計勢在必行?!按騻€不恰當(dāng)?shù)谋扔?,臺風(fēng)過境,有些大樹可能會倒,竹子反而不會,所以,增加承載力儲備的傳統(tǒng)做法,未必就一定沒有風(fēng)險,而且承載力儲備就意味著高成本,最重要的是,長此以往,結(jié)構(gòu)工程和防災(zāi)科學(xué)就會裹足不前。”


李杰教授在工地


經(jīng)過15年的持續(xù)科研攻關(guān),李杰領(lǐng)銜的“復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)精細(xì)分析與整體抗災(zāi)性能調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)”項目給出了更安全更經(jīng)濟的答案:基于建筑結(jié)構(gòu)的精細(xì)化分析,對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體抗災(zāi)性能優(yōu)化,可以提升大型復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)整體抗災(zāi)性能,并顯著降低結(jié)構(gòu)造價。該項目榮獲2019年度上??萍歼M(jìn)步獎一等獎。


需要解決三個關(guān)鍵難題


李杰介紹,要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)精細(xì)化分析與整體抗震優(yōu)化設(shè)計,需要解決三個關(guān)鍵難題:材料非線性的合理反映、結(jié)構(gòu)破壞的準(zhǔn)確模擬、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。“在強震作用下,材料會出現(xiàn)非線性行為,比如混凝土?xí)_裂甚至壓碎,鋼材會屈服甚至斷裂,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論,無法反映這些非線性行為,更談不上從材料損傷到結(jié)構(gòu)破壞的全過程模擬?!?


李杰帶領(lǐng)團隊追本求源,建立了鋼筋混凝土復(fù)合材料彈塑性損傷理論,構(gòu)建了混凝土彈塑性隨機損傷物理模型,首次實現(xiàn)了鋼筋混凝土復(fù)合材料靜、動力非線性行為的綜合反映。美國科學(xué)院院士、工程院院士巴讓特(Bazant)教授盛贊該模型是“一個出類拔萃的混凝土模型”。


“在國際上,這是一個長期懸而未決的難題。我們的理論成果經(jīng)過了充分的實驗驗證。”李杰說,“6年,1042組實驗,我們課題組的任曉丹副教授和同學(xué)們一起付出了艱苦的努力?!?


李杰教授和課題組陳建兵教授在上海中心工地


值得一提的是,2010年,該損傷模型被納入我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,這是國際范圍內(nèi)首次將混凝土損傷模型引入國家標(biāo)準(zhǔn)?!霸O(shè)計規(guī)范引入理論模型的案例很少,設(shè)計規(guī)范強調(diào)應(yīng)用,我們的損傷模型理論性比較強,但好用?!比螘缘じ嬖V記者,十年的應(yīng)用證明,損傷模型在設(shè)計界大受歡迎,并形成了自己的話語體系。比如,針對大震非線性分析的結(jié)果,設(shè)計師們的討論模式通常是這樣的:“有哪些損傷?損傷在哪些位置?” “算出來的損傷主要集中在哪個部位?哪些損傷可以減少一些?”……


理論創(chuàng)新的價值遠(yuǎn)不只于此。李杰介紹,損傷模型并不僅僅適用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計,山東建筑大學(xué)將損傷模型應(yīng)用于復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)的移位,“準(zhǔn)確地模擬了托換梁混凝土開裂過程和新老混凝土界面脫離過程”,該技術(shù)成果與山東建筑大學(xué)多年來的研究成果一起獲得了2014年國家技術(shù)發(fā)明二等獎。


在理論創(chuàng)新的基礎(chǔ)上,團隊研發(fā)了大型結(jié)構(gòu)非線性分析軟件系統(tǒng)ADARCS,建立了復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)的精細(xì)化分析技術(shù)平臺,實現(xiàn)了復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)從材料損傷到結(jié)構(gòu)倒塌全過程的精細(xì)化分析。李杰告訴記者,該技術(shù)解決了諸多歷史難題,如框架梁坍塌效應(yīng)的模擬、復(fù)雜構(gòu)件的受力分析等等,在國際上均處于技術(shù)領(lǐng)先地位。


“比如這個美麗的蝴蝶形曲線,是開口剪力墻的滯回行為模擬曲線,也是國際上知名的難題。很多人能做出這個試驗,但無法通過模型模擬出這個曲線。我們發(fā)展的技術(shù),完美再現(xiàn)了這類極具挑戰(zhàn)性的試驗結(jié)果?!崩罱苷f,這個蝴蝶形的曲線在國內(nèi)外各大國際會議報告現(xiàn)場收獲驚嘆無數(shù),“這個曲線有隱式和顯式兩種算法,隱式結(jié)果更穩(wěn)定,國際上能做出顯式曲線的,一個巴掌數(shù)得過來,但能做出隱式曲線的,目前只有我們課題組?!?


結(jié)構(gòu)精細(xì)化非線性分析軟件與模塊研發(fā)


揭開了大型復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)從材料損傷、構(gòu)件破壞到結(jié)構(gòu)倒塌全過程的神秘面紗,有了軟件的加持,對各類建筑整體抗災(zāi)性能進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控就不再是難事?!俺R?guī)優(yōu)化,主要體現(xiàn)在用鋼量上?!?李杰介紹,基于可靠度的結(jié)構(gòu)敏感性分析,依據(jù)指標(biāo)敏感度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,在確保結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求的同時,可以顯著降低結(jié)構(gòu)造價,比如6月28日剛剛開工的蘇州第一高樓中南中心,抗震優(yōu)化設(shè)計后,僅主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件,即可節(jié)約鋼材1067.4噸。


“另外一種優(yōu)化,是實現(xiàn)了主體結(jié)構(gòu)與減振裝置的一體化設(shè)計?;诰?xì)化分析,針對薄弱部位,可以設(shè)計減震裝置的布置位置和形式等,顯著提升建筑的整體抗災(zāi)性能?!崩罱苷f。


結(jié)構(gòu)精細(xì)化非線性分析軟件與模塊研發(fā)



據(jù)悉,軟件開發(fā)后,李杰團隊還在國際知名開源結(jié)構(gòu)分析軟件平臺OpenSees上以“中國規(guī)范模型”名義貢獻(xiàn)了模塊,并基于國際知名有限元平臺ABAQUS進(jìn)行了二次開發(fā)。


據(jù)悉,項目已獲得5項國家專利、5項軟件著作權(quán),出版學(xué)術(shù)專著1部,發(fā)表SCI/EI論文78篇。截止2017年,成果已直接應(yīng)用于30余座大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)化分析與優(yōu)化設(shè)計,顯著提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。據(jù)不完全統(tǒng)計,全國在建300米以上的超高層項目中,有10%的項目直接應(yīng)用了該技術(shù)。項目成果近三年實現(xiàn)直接經(jīng)濟效益4.75億元,間接經(jīng)濟效益7.85億元。


項目代表性工程應(yīng)用


摩天大樓“下盤功夫”,同濟早有探索


幫助摩天大樓練就更多穩(wěn)扎穩(wěn)打的功夫,同濟大學(xué)早有探索。解放日報·上觀新聞記者獲悉,該校結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所專家歷經(jīng)十余年,研發(fā)成功結(jié)構(gòu)抗震防災(zāi)新技術(shù),這一“中國功夫”日前首次在抗震研究強國日本實現(xiàn)工程應(yīng)用,令建筑物的“馬步”扎得更穩(wěn)。


近年來,隨著我國高層建筑結(jié)構(gòu)體系越來越復(fù)雜,對高層及超高層建筑的抗震技術(shù)需求日益迫切。自1994年起,在呂西林教授帶領(lǐng)下,課題組致力于開發(fā)新型的抗震防災(zāi)技術(shù)。呂西林坦言,在土木工程領(lǐng)域,原始創(chuàng)新非常少,他們的“馬步新招”靠的是集成創(chuàng)新,即利用已有技術(shù)、設(shè)備,達(dá)到“1+1>2”的效果。相關(guān)論文已在國際一流專業(yè)雜志《地震工程與結(jié)構(gòu)動力學(xué)》(EESD)上發(fā)表。


走在同濟大學(xué)土木工程系樓梯上,常有人要問:那轉(zhuǎn)角處貼著墻面、頂著天花板的人字形灰色結(jié)構(gòu)干啥用?這正是專家們的得意之作:將橡膠耗能、油阻尼器這兩大減震設(shè)備創(chuàng)造性地連在一起,不僅能令大樓抵抗住相當(dāng)于6至7級強震的沖擊,而且施工較傳統(tǒng)方法更為簡易。這一消能減震支撐體系,獲得國家實用新型專利,并應(yīng)用于上海市3項實際工程。如上海港匯廣場商務(wù)辦公樓的加固設(shè)計使用了這一創(chuàng)新技術(shù),整個加固過程中廣場基本未停業(yè)。


讓摩天大樓的“下盤功夫”更強,同濟大學(xué)專家再做“加法”,采用各種滑動支座“并聯(lián)”橡膠支座,組成全新的組合隔震系統(tǒng),成功應(yīng)用于超高建筑的基礎(chǔ)隔震。據(jù)了解,它已在日本的4個高層建筑工程中發(fā)揮作用,當(dāng)?shù)仄髽I(yè)數(shù)據(jù)顯示,這一技術(shù)在達(dá)到相同抗震效果前提下,工程成本降低10%左右,產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益6169萬日元。

 
 
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