大樓越造越高，體量越來(lái)越大，造型結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，面對(duì)強(qiáng)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(jì)的理念，大震不倒，是否就意味著高昂的造價(jià)？
面對(duì)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，上海防災(zāi)救災(zāi)研究所所長(zhǎng)、同濟(jì)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(jì)理論需要變革，精細(xì)化分析與整體優(yōu)化設(shè)計(jì)勢(shì)在必行?！按騻€(gè)不恰當(dāng)?shù)谋扔?，臺(tái)風(fēng)過(guò)境，有些大樹(shù)可能會(huì)倒，竹子反而不會(huì)，所以，增加承載力儲(chǔ)備的傳統(tǒng)做法，未必就一定沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)，而且承載力儲(chǔ)備就意味著高成本，最重要的是，長(zhǎng)此以往，結(jié)構(gòu)工程和防災(zāi)科學(xué)就會(huì)裹足不前?！?
李杰教授在工地
經(jīng)過(guò)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(xiàng)目給出了更安全更經(jīng)濟(jì)的答案：基于建筑結(jié)構(gòu)的精細(xì)化分析，對(duì)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(jià)。該項(xiàng)目榮獲2019年度上?？萍歼M(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
需要解決三個(gè)關(guān)鍵難題
李杰介紹，要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)精細(xì)化分析與整體抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要解決三個(gè)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(jì)。“在強(qiáng)震作用下，材料會(huì)出現(xiàn)非線性行為，比如混凝土?xí)_(kāi)裂甚至壓碎，鋼材會(huì)屈服甚至斷裂，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，無(wú)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(guò)程模擬。”
李杰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(jī)損傷物理模型，首次實(shí)現(xiàn)了鋼筋混凝土復(fù)合材料靜、動(dòng)力非線性行為的綜合反映。美國(guó)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(gè)出類拔萃的混凝土模型”。
“在國(guó)際上，這是一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的難題。我們的理論成果經(jīng)過(guò)了充分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?！崩罱苷f(shuō)，“6年，1042組實(shí)驗(yàn)，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(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，這是國(guó)際范圍內(nèi)首次將混凝土損傷模型引入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?！霸O(shè)計(jì)規(guī)范引入理論模型的案例很少，設(shè)計(jì)規(guī)范強(qiáng)調(diào)應(yīng)用，我們的損傷模型理論性比較強(qiáng)，但好用。”任曉丹告訴記者，十年的應(yīng)用證明，損傷模型在設(shè)計(jì)界大受歡迎，并形成了自己的話語(yǔ)體系。比如，針對(duì)大震非線性分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)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(lái)的損傷主要集中在哪個(gè)部位？哪些損傷可以減少一些？”……
理論創(chuàng)新的價(jià)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(jì)，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(kāi)裂過(guò)程和新老混凝土界面脫離過(guò)程”，該技術(shù)成果與山東建筑大學(xué)多年來(lái)的研究成果一起獲得了2014年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。
在理論創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)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(tái)，實(shí)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(guò)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(guó)際上均處于技術(shù)領(lǐng)先地位。
“比如這個(gè)美麗的蝴蝶形曲線，是開(kāi)口剪力墻的滯回行為模擬曲線，也是國(guó)際上知名的難題。很多人能做出這個(gè)試驗(yàn)，但無(wú)法通過(guò)模型模擬出這個(gè)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(yàn)結(jié)果。”李杰說(shuō)，這個(gè)蝴蝶形的曲線在國(guó)內(nèi)外各大國(guó)際會(huì)議報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)收獲驚嘆無(wú)數(shù)，“這個(gè)曲線有隱式和顯式兩種算法，隱式結(jié)果更穩(wěn)定，國(guó)際上能做出顯式曲線的，一個(gè)巴掌數(shù)得過(guò)來(lái)，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(kāi)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(guò)程的神秘面紗，有了軟件的加持，對(duì)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(jì)，在確保結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求的同時(shí)，可以顯著降低結(jié)構(gòu)造價(jià)，比如6月28日剛剛開(kāi)工的蘇州第一高樓中南中心，抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了主體結(jié)構(gòu)與減振裝置的一體化設(shè)計(jì)?；诰?xì)化分析，針對(duì)薄弱部位，可以設(shè)計(jì)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。”李杰說(shuō)。
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(kāi)發(fā)后，李杰團(tuán)隊(duì)還在國(guó)際知名開(kāi)源結(jié)構(gòu)分析軟件平臺(tái)OpenSees上以“中國(guó)規(guī)范模型”名義貢獻(xiàn)了模塊，并基于國(guó)際知名有限元平臺(tái)ABAQUS進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)。
據(jù)悉，項(xiàng)目已獲得5項(xiàng)國(guó)家專利、5項(xiàng)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(jì)，顯著提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)在建300米以上的超高層項(xiàng)目中，有10%的項(xiàng)目直接應(yīng)用了該技術(shù)。項(xiàng)目成果近三年實(shí)現(xiàn)直接經(jīng)濟(jì)效益4.75億元，間接經(jīng)濟(jì)效益7.85億元。
項(xiàng)目代表性工程應(yīng)用
摩天大樓“下盤功夫”，同濟(jì)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(jì)大學(xué)早有探索。解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾攉@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(guó)功夫”日前首次在抗震研究強(qiáng)國(guó)日本實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，令建筑物的“馬步”扎得更穩(wěn)。
近年來(lái)，隨著我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)體系越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)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(kāi)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(guó)際一流專業(yè)雜志《地震工程與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)》(EESD)上發(fā)表。
走在同濟(jì)大學(xué)土木工程系樓梯上，常有人要問(wèn)：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(jí)強(qiáng)震的沖擊，而且施工較傳統(tǒng)方法更為簡(jiǎn)易。這一消能減震支撐體系，獲得國(guó)家實(shí)用新型專利，并應(yīng)用于上海市3項(xiàng)實(shí)際工程。如上海港匯廣場(chǎng)商務(wù)辦公樓的加固設(shè)計(jì)使用了這一創(chuàng)新技術(shù)，整個(gè)加固過(guò)程中廣場(chǎng)基本未停業(yè)。
讓摩天大樓的“下盤功夫”更強(qiáng)，同濟(jì)大學(xué)專家再做“加法”，采用各種滑動(dòng)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(gè)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(jì)效益6169萬(wàn)日元。
