大樓越造越高👩🌾，體量越來越大，造型結構越來越復雜🛁，面對強震和颶風等自然災害，這些建築能否屹立不倒？“小震不壞✷，中震可修🙅🏼♂️，大震不倒”是建築結構抗震設計的理念🧗♀️，大震不倒🥽🎒，是否就意味著高昂的造價Ⓜ️？
面對國家重大戰略需求😓🏊🏿♂️，上海防災救災研究所所長、恒达平台土木工程學院特聘教授李傑認為♕，建設韌性城市，結構分析和設計理論需要變革👩❤️💋👨，精細化分析與整體優化設計勢在必行🧙🏼♂️。“打個不恰當的比喻🥬，臺風過境👨🏽🦳🐚，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做法，未必就一定沒有風險，而且承載力儲備就意味著高成本💁🏿♂️𓀁，最重要的是，長此以往🍃，結構工程和防災科學就會裹足不前🧑🧑🧒。”
經過15年的持續科研攻關🏄🏼♂️，李傑領銜的“復雜建築結構精細分析與整體抗災性能調控關鍵技術”項目給出了更安全更經濟的答案：基於建築結構的精細化分析，對建築結構進行整體抗災性能優化，可以提升大型復雜建築結構整體抗災性能，並顯著降低結構造價。該項目榮獲2019年度上海科技進步獎一等獎。
需要解決三個關鍵難題
李傑介紹，要實現結構精細化分析與整體抗震優化設計，需要解決三個關鍵難題：材料非線性的合理反映🚵🏽♂️、結構破壞的準確模擬、復雜結構的優化設計。“在強震作用下，材料會出現非線性行為，比如混凝土會開裂甚至壓碎🧖🏽♂️，鋼材會屈服甚至斷裂🚂🧑🏽🎄，傳統的結構設計理論🥪，無法反映這些非線性行為🕵🏼♀️，更談不上從材料損傷到結構破壞的全過程模擬🛣。”
李傑帶領團隊追本求源，建立了鋼筋混凝土復合材料彈塑性損傷理論，構建了混凝土彈塑性隨機損傷物理模型，首次實現了鋼筋混凝土復合材料靜、動力非線性行為的綜合反映。美國科學院院士、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。我們的理論成果經過了充分的實驗驗證。”李傑說，“6年，1042組實驗🥜，我們課題組的任曉丹副教授和同學們一起付出了艱苦的努力。”
值得一提的是👩🏼✈️，2010年，該損傷模型被納入我國《混凝土結構設計規範》💂，這是國際範圍內首次將混凝土損傷模型引入國家標準。“設計規範引入理論模型的案例很少，設計規範強調應用，我們的損傷模型理論性比較強，但好用。”任曉丹告訴記者，十年的應用證明，損傷模型在設計界大受歡迎，並形成了自己的話語體系。比如🍺，針對大震非線性分析的結果🪆，設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🪱？”……
理論創新的價值遠不只於此。李傑介紹🎲，損傷模型並不僅僅適用於結構抗震設計，山東建築大學將損傷模型應用於復雜建築結構的移位🩹🙋🏿，“準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”，該技術成果與山東建築大學多年來的研究成果一起獲得了2014年國家技術發明二等獎。
在理論創新的基礎上，團隊研發了大型結構非線性分析軟件系統ADARCS，建立了復雜建築結構的精細化分析技術平臺，實現了復雜建築結構從材料損傷到結構倒塌全過程的精細化分析。李傑告訴記者👨🏽🌾，該技術解決了諸多歷史難題，如框架梁坍塌效應的模擬、復雜構件的受力分析等等，在國際上均處於技術領先地位。
“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。我們發展的技術，完美再現了這類極具挑戰性的試驗結果。”李傑說，這個蝴蝶形的曲線在國內外各大國際會議報告現場收獲驚嘆無數，“這個曲線有隱式和顯式兩種算法，隱式結果更穩定，國際上能做出顯式曲線的💔🤾🏻，一個巴掌數得過來🪕，但能做出隱式曲線的🧖♀️，目前只有我們課題組。”
結構精細化非線性分析軟件與模塊研發
揭開了大型復雜建築結構從材料損傷、構件破壞到結構倒塌全過程的神秘面紗，有了軟件的加持，對各類建築整體抗災性能進行精準調控就不再是難事💂🏿♀️。“常規優化，主要體現在用鋼量上🤭。” 李傑介紹，基於可靠度的結構敏感性分析，依據指標敏感度進行結構優化設計🧑🏼🎤，在確保結構滿足規範要求的同時，可以顯著降低結構造價，比如6月28日剛剛開工的蘇州第一高樓中南中心🤦🏿♀️，抗震優化設計後，僅主體結構構件🤶🏽，即可節約鋼材1067.4噸。
“另外一種優化💞，是實現了主體結構與減震裝置的一體化設計。基於精細化分析，針對薄弱部位，可以設計減震裝置的布置位置和形式等🫒，顯著提升建築的整體抗災性能👨🏻🔧。”李傑說。
據悉，軟件開發後♙，李傑團隊還在國際知名開源結構分析軟件平臺OpenSees上以“中國規範模型”名義貢獻了模塊，並基於國際知名有限元平臺ABAQUS進行了二次開發💨。
據悉，項目已獲得5項國家專利𓀛、5項軟件著作權，出版學術專著1部⚓️，發表SCI/EI論文78篇💁🏿。截至2017年，成果已直接應用於30余座大型復雜結構的精細化分析與優化設計，顯著提高了結構的抗震性能🥜。據不完全統計，全國在建300米以上的超高層項目中❎，有10%的項目直接應用了該技術。項目成果近三年實現直接經濟效益4.75億元，間接經濟效益7.85億元🙏🏽🚭。
摩天大樓“下盤功夫”，恒达早有探索
幫助摩天大樓練就更多穩紮穩打的功夫，恒达平台早有探索🕵️♂️。解放日報·上觀新聞記者獲悉，該校結構工程與防災研究所專家歷經十余年♘，研發成功結構抗震防災新技術，這一“中國功夫”日前首次在抗震研究強國日本實現工程應用，令建築物的“馬步”紮得更穩🧖🏿。
近年來💱🤱🏼，隨著我國高層建築結構體系越來越復雜，對高層及超高層建築的抗震技術需求日益迫切。自1994年起,在呂西林教授帶領下，課題組致力於開發新型的抗震防災技術。呂西林坦言，在土木工程領域，原始創新非常少，他們的“馬步新招”靠的是集成創新,即利用已有技術、設備,達到“1+1>2”的效果📬。相關論文已在國際一流專業雜誌《地震工程與結構動力學》(EESD)上發表。
走在恒达平台土木工程系樓梯上，常有人要問：那轉角處貼著墻面🐛、頂著天花板的人字形灰色結構幹啥用？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備創造性地連在一起🧑🏽，不僅能令大樓抵抗住相當於6至7級強震的沖擊，而且施工較傳統方法更為簡易🧏🏽♂️。這一消能減震支撐體系，獲得國家實用新型專利，並應用於上海市3項實際工程🎞。如上海港匯廣場商務辦公樓的加固設計使用了這一創新技術👎🦸🏼♂️，整個加固過程中廣場基本未停業⬅️。
讓摩天大樓的“下盤功夫”更強，恒达平台專家再做“加法”👨🏼🔬🤽🏽♀️，采用各種滑動支座“並聯”橡膠支座，組成全新的組合隔震系統，成功應用於超高建築的基礎隔震。據了解🥤，它已在日本的4個高層建築工程中發揮作用，當地企業數據顯示，這一技術在達到相同抗震效果前提下，工程成本降低10%左右，產生直接經濟效益6169萬日元。
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