新论文：地震－连续倒塌综合韧性防御超高层体系

DOI：https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102790

      超高层建筑面临地震及爆炸、撞击等破坏性灾害风险。面向地震－连续倒塌综合韧性防御的超高层体系对减轻城市重要建筑的灾害损失和灾后恢复时间均具有重要价值。因此，本文面向韧性体系的基本特征（失效概率低、失效后果轻、恢复时间短），基于超高层中广泛应用的“框架－核心筒”体系，提出了一种面向地震－连续倒塌综合韧性防御的新型超高层结构体系，并建议了其设计方法，通过典型案例开展了性能对比分析。

      研究结果表明，相比于常规超高层结构体系，本文提出的新型结构体系能够有效控制结构动力响应（包括中小震下的楼层加速度、中大震下的层间位移角、以及连续倒塌工况下的竖向位移等），进而实现地震－连续倒塌灾害下的综合韧性防御。

      由于抗震设计与抗连续倒塌设计在机理上的差异，导致针对特定灾害的设计方法 会影响结构抵抗其他灾害的性能，进而影响综合防御效果（详见论文：防连续倒塌设计会削弱结构的抗震能力么？是的）。

      近年来，我们课题组在结构多灾害综合防御问题上开展了系列研究，先后对混凝土框架和组合框架提出了新型的构造措施、新型地震和连续倒塌综合防御韧性框架等解决方案，并给出了相应的设计方法，详见论文：

相关文章，在仿真秀官网搜索：

(1) 抗震&防连续倒塌：一种新型构造措施

(2) 这个混凝土框架能抗震，能防连续倒塌，还功能可恢复，您不进来看看么？| 新论文：多灾害防御混凝土框架试验研究

(3)新论文：新型地震和连续倒塌综合防御韧性PC框架承载力计算方法

(4) 新论文：受折纸启发的可更换承载-耗能双功能耗能器

(5) 新论文：地震-连续倒塌综合防御组合框架结构体系研究

(6) 新论文：新一代地震-连续倒塌综合防御组合框架——综合韧性防御组合框架

      有了这些研究基础，我们把目光投向了超高层建筑。因为超高层建筑通常对一座城市具有十分重要的社会、政治、经济功能，其综合韧性防灾问题至关重要。

      针对韧性体系的基本特征，超高层结构体系在抗震和防连续倒塌综合防御方面需要解决以下关键问题：

(1) 控制中小震下楼层加速度，降低非结构构件损伤引起的经济损失与修复工作量；

图1 高层建筑地震加速度放大致顶层泳池漏水（图片来自网络）

(2) 控制中大震下结构的损伤，保证结构震后无损伤或者轻微损伤，并能够通过一定的修复使结构快速恢复正常使用功能；

图2 花莲地震高层建筑严重破坏（http://tw.fjtv.net/folder745/2018-02-08/1435158.html）

(3) 关键构件因偶然事件失效后，结构仍可以合理的重新分配内力，并保证失效部位的竖向位移在可控范围内，以实现灾后快速修复。

图3 伦敦罗南角公寓因爆炸导致主体结构发生连续倒塌（图片来自网络）

      因此，我们基于广泛采用的“框架－核心筒”超高层体系，结合各类高性能构件的最新研究成果，提出了一种面向地震－连续倒塌综合韧性防御的新型超高层结构体系，我们把它称为SPCRST(seismic–progressive collapse resilient super-tall)建筑。

      SPCRST主要包括：建筑顶部的减振子结构、地震－连续倒塌综合韧性防御钢混组合外框架、含自复位耗能支撑的钢混组合支撑筒、桁架系统（含伸臂桁架或者腰桁架），如图4所示。

图4 SPCRST示意图

      该体系具有以下特点与优势：

      (1) 减振子结构控制超高层结构在中小地震作用下的顶部楼层加速度，减小楼层顶部高成本加速度敏感型非结构构件的损伤；（参见 新论文：采用减振子结构来控制超高层建筑的地震楼面加速度）

      (2) 地震－连续倒塌综合韧性防御钢混组合外框架以及含自复位耗能支撑的钢混组合支撑筒保证超高层结构在罕遇地震作用下或者连续倒塌工况下（单根柱失效）的功能可恢复性能；

      (3) 桁架系统控制结构变形，并保证结构在较严重的连续倒塌工况下（多根柱失效），实现稳定均匀的内力重分布，进而提高整体结构的抗连续倒塌性能。（如图5）

图5 多柱失效下的防连续倒塌路径

      该体系关键构件抗震性能目标为：

关键构件抗连续倒塌性能目标为：

基本设计流程为：

      为了检验新体系的实际效果，我们分别采用常规体系和新型体系设计了一栋48层的框架－核心筒结构，分别记作Model Y（常规体系）和Model M-V（新型体系）。

图6 对比案例建筑

      分析结果表明：        

      (1) 在加速度响应方面，中小震下，结构顶部加速度平均减振效果约20%，主要经济损失来源（供热通风与空调系统，HVAC）造成的经济损失平均降低42.9%和24.6%；

图7 中小震加速度响应对比

      (2) 大震下，最大层间位移角平均降低15.2%，并有效控制残余变形，震后易于修复。

图8 大震下层间位移角包络对比

      (3) 新型框架与新型支撑系统可有效降低失效部位竖向位移，可更为有效实现连续倒塌内力重分布。

图9 外框架柱失效工况下，各失效部位竖向位移时程

图10 外框架柱失效工况下，剩余柱子底部轴力增量情况
新结构（M-V）轴力增量分布更均匀

      本文提出了一种地震－连续倒塌综合韧性防御超高层结构体系SPCRST，并开展了数值仿真分析，研究结果表明：

      相比于常规超高层结构体系，本文提出的新型结构体系能够有效控制结构动力响应（包括中小震下的加速度、中大震下的层间位移角、以及连续倒塌工况下的竖向位移等），进而实现地震－连续倒塌灾害下的综合韧性防御。

---End---

相关研究

相关文章，在仿真秀官网搜索：

1. 英文版《工程地震灾变模拟：从高层建筑到城市区域(第2版)》出版

2. 他山之石可以攻玉 | 新论文：基于深度迁移学习的结构地震响应识别

3. 新论文丨不同冲剪方向下板柱节点抗倒塌性能研究

4. 新论文：基于实测地震动的近实时地震滑坡预测方法(并附源程序)
   

5. 新论文：为提升AI振动识别效果，小波、HHT、MFCC、CNN、LSTM我们都试一试
   

6. 新论文：基于实测地震记录的区域地震动场模拟方法
   

7. 新论文：基于数字孪生的强震下大跨斜拉桥倒塌易损性评估
   

8. 新论文 | 卷积神经网络 + 小波时频图：基于地震动时频域特征的震害评估新方法
   

9. 新论文：城市尺度树木风灾破坏近实时评估：方法框架及清华园案例应用
   

10. 如何将地震破坏力评估加速1500倍？| 新论文：基于LSTM的地震破坏力实时评估
    

11. 新论文：大跨斜拉桥的非线性模型更新及倒塌预测
    

12. 新论文：“场地－城市”效应对区域震害评估的定量影响分析
    

13. 新论文：基于机器学习方法的多元地震动强度指标比选与实时震害预测
    

14. 新论文：新一代地震-连续倒塌综合防御组合框架——综合韧性防御组合框架

15. 新论文：给振动信号拍个照，可以提升振动控制效果！

16. 新论文：基于城市信息模型、并同时适用于城市建筑群和单体重要建筑的多灾害模拟框架
    

17. 新论文：台风风灾对港口运营的经济影响：以中国港口为例
    

18. 新论文：中柱失效后混凝土板柱结构承载性能影响因素研究

19. 新论文：不同冲剪方向下板柱节点抗倒塌性能研究
    

20. 新论文：基于BIM与虚拟现实的建筑震后火灾救援场景模拟
    

21. 新论文：社区地震安全韧性评估系统及社区应用示范
    

22. 这栋楼是什么结构的，元芳，你怎么看？——大人，时代变了！|新论文：使用机器学习方法预测城市建筑结构类型
    

23. 新论文：次边缘柱失效后钢筋混凝土平面框架连续倒塌承载力的试验分析和计算评估

24. 新论文：基于集群计算的大跨斜拉桥精细有限元模型更新
    

25. 新论文：钢筋混凝土板柱节点冲切及冲切破坏后行为的数值模拟
    

26. 新论文：边柱以及边中柱失效后平板结构连续倒塌行为试验研究
    

27. 新论文：武汉火神山医院病房有害气体的高空排放设计和分析
    

28. 新论文：主余震作用下区域建筑震害预测方法

29. 新论文：城市抗震弹塑性分析的开源框架

30. 新论文：考虑劳动力资源约束的城市尺度建筑抗震韧性模拟和震后维修规划
    

31. 新论文：基于无人机与深度学习的建筑震害评估方法
    

32. 新论文：抗震&防连续倒塌：一种新型构造措施
    

33. 新论文：混凝土梁柱子结构连续倒塌动力效应的试验研究
    

34. 层间位移角判别准则不适用于剪力墙，怎么办？|新论文：基于曲率的剪力墙损伤评估方法

35. 新论文：结合BIM和FEMA P-58的建筑地震损失预测方法
    

36. 新论文：地震-连续倒塌综合防御组合框架结构体系研究
    

37. 新论文：扔砖头、跳盒子，这也是做科学试验哦！| 地震次生坠物情境中的人员疏散模拟

38. 新论文：改变框架-核心筒结构剪力调整策略对其抗震性能影响的研究
    

39. 综述：城市抗震弹塑性分析及其工程应用

40. 新论文：适用于多LOD BIM的建筑地震损失评估
    

41. 新论文：新型地震和连续倒塌综合防御韧性PC框架承载力计算方法
    

42. 新论文：角柱失效后平板结构连续倒塌行为实验研究
    

43. 新论文：城市建筑群多LOD震害模拟及北京CBD算例

44. 美国NSF SimCenter+清华城市弹塑性分析=旧金山184万建筑地震模拟
    

45. 新论文：受折纸启发的可更换承载-耗能双功能耗能器
    

46. 新综述论文：21世纪建筑结构连续倒塌和鲁棒性的研究和实践

47. 新论文：中柱失效后板柱结构连续倒塌传力机理研究

48. 新论文：一根钢筋混凝土梁，承载力你能算对么？| 梁的压拱效应计算方法

49. 新论文：无人机+机器学习+城市弹塑性分析=震后近实时损失预测

50. 新论文：这个混凝土框架能抗震，能防连续倒塌，还功能可恢复，您不进来看看么？

51. 新论文：一个好汉三个帮|带端部阻尼器伸臂桁架的抗震性能试验研究

52. 新论文：BIM+新一代性能化设计=喷淋系统破坏后的地震次生火灾模拟

53. 新论文：村镇建筑群火灾蔓延模拟与案例

54. 新论文：建设地震韧性城市所面临的挑战
    

55. 新论文：烈焰焚城 | 地震次生火灾的精细化和高真实感模拟
    

56. 新论文：城市韧性——基于“三度空间下系统的系统”的思考

57. 新论文：防屈曲支撑伸臂桁架？几个“狗骨头”可少不了！
    

58. 新论文：城市抗震弹塑性分析中如何确定高层建筑的损伤程度？

59. 新论文：考虑楼板影响的钢筋混凝土框架边柱连续倒塌试验
    

60. 新论文：提高地震荷载分项系数，抗震安全性提高了多少？

61. 新论文：采用减振子结构来控制超高层建筑的地震楼面加速度
    

62. 新论文：500m级超高层建筑简化模型及其在结构体系对比中的应用

63. 606m 超高层建筑OpenSees模型