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大楼越造越高 ， 体量越来越大 ， 造型结构越来越复杂 ， 面对强震和飓风等自然灾害 ， 这些建筑能否屹立不倒？“小震不坏 ， 中震可修 ， 大震不倒”是建筑结构抗震设计的理念 ， 大震不倒 ， 是否就意味着高昂的造价？
面对国家重大战略需求 ， 上海防灾救灾研究所所长、我校土木工程学院特聘教授李杰认为 ， 建设韧性城市 ， 结构分析和设计理论需要变革 ， 精细化分析与整体优化设计势在必行 。 “打个不恰当的比喻 ， 台风过境 ， 有些大树可能会倒 ， 竹子反而不会 ， 所以 ， 增加承载力储备的传统做法 ， 未必就一定没有风险 ， 而且承载力储备就意味着高成本 ， 最重要的是 ， 长此以往 ， 结构工程和防灾科学就会裹足不前 。 ”
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李杰教授在工地
经过15年的持续科研攻关 ， 李杰领衔的“复杂建筑结构精细分析与整体抗灾性能调控关键技术”项目给出了更安全更经济的答案：基于建筑结构的精细化分析 ， 对建筑结构进行整体抗灾性能优化 ， 可以提升大型复杂建筑结构整体抗灾性能 ， 并显著降低结构造价 。 该项目荣获2019年度上海科技进步奖一等奖 。
需要解决三个关键难题
李杰介绍 ， 要实现结构精细化分析与整体抗震优化设计 ， 需要解决三个关键难题：材料非线性的合理反映、结构破坏的准确模拟、复杂结构的优化设计 。 “在强震作用下 ， 材料会出现非线性行为 ， 比如混凝土会开裂甚至压碎 ， 钢材会屈服甚至断裂 ， 传统的结构设计理论 ， 无法反映这些非线性行为 ， 更谈不上从材料损伤到结构破坏的全过程模拟 。 ”
李杰带领团队追本求源 ， 建立了钢筋混凝土复合材料弹塑性损伤理论 ， 构建了混凝土弹塑性随机损伤物理模型 ， 首次实现了钢筋混凝土复合材料静、动力非线性行为的综合反映 。 美国科学院院士、工程院院士巴让特（Bazant）教授盛赞该模型是“一个出类拔萃的混凝土模型” 。
“在国际上 ， 这是一个长期悬而未决的难题 。 我们的理论成果经过了充分的实验验证 。 ”李杰说 ， “6年 ， 1042组实验 ， 我们课题组的任晓丹副教授和同学们一起付出了艰苦的努力 。 ”
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李杰教授和课题组陈建兵教授在上海中心工地
值得一提的是 ， 2010年 ， 该损伤模型被纳入我国《混凝土结构设计规范》 ， 这是国际范围内首次将混凝土损伤模型引入国家标准 。 “设计规范引入理论模型的案例很少 ， 设计规范强调应用 ， 我们的损伤模型理论性比较强 ， 但好用 。 ”任晓丹告诉采访人员 ， 十年的应用证明 ， 损伤模型在设计界大受欢迎 ， 并形成了自己的话语体系 。 比如 ， 针对大震非线性分析的结果 ， 设计师们的讨论模式通常是这样的：“有哪些损伤？损伤在哪些位置？” “算出来的损伤主要集中在哪个部位？哪些损伤可以减少一些？”……
理论创新的价值远不只于此 。 李杰介绍 ， 损伤模型并不仅仅适用于结构抗震设计 ， 山东建筑大学将损伤模型应用于复杂建筑结构的移位 ， “准确地模拟了托换梁混凝土开裂过程和新老混凝土界面脱离过程” ， 该技术成果与山东建筑大学多年来的研究成果一起获得了2014年国家技术发明二等奖 。
在理论创新的基础上 ， 团队研发了大型结构非线性分析软件系统ADARCS ， 建立了复杂建筑结构的精细化分析技术平台 ， 实现了复杂建筑结构从材料损伤到结构倒塌全过程的精细化分析 。 李杰告诉采访人员 ， 该技术解决了诸多历史难题 ， 如框架梁坍塌效应的模拟、复杂构件的受力分析等等 ， 在国际上均处于技术领先地位 。
“比如这个美丽的蝴蝶形曲线 ， 是开口剪力墙的滞回行为模拟曲线 ， 也是国际上知名的难题 。 很多人能做出这个试验 ， 但无法通过模型模拟出这个曲线 。 我们发展的技术 ， 完美再现了这类极具挑战性的试验结果 。 ”李杰说 ， 这个蝴蝶形的曲线在国内外各大国际会议报告现场收获惊叹无数 ， “这个曲线有隐式和显式两种算法 ， 隐式结果更稳定 ， 国际上能做出显式曲线的 ， 一个巴掌数得过来 ， 但能做出隐式曲线的 ， 目前只有我们课题组 。 ”
结构精细化非线性分析软件与模块研发
揭开了大型复杂建筑结构从材料损伤、构件破坏到结构倒塌全过程的神秘面纱 ， 有了软件的加持 ， 对各类建筑整体抗灾性能进行精准调控就不再是难事 。 “常规优化 ， 主要体现在用钢量上 。 ” 李杰介绍 ， 基于可靠度的结构敏感性分析 ， 依据指标敏感度进行结构优化设计 ， 在确保结构满足规范要求的同时 ， 可以显著降低结构造价 ， 比如6月28日刚刚开工的苏州第一高楼中南中心 ， 抗震优化设计后 ， 仅主体结构构件 ， 即可节约钢材1067.4吨 。
“另外一种优化 ， 是实现了主体结构与减振装置的一体化设计 。 基于精细化分析 ， 针对薄弱部位 ， 可以设计减震装置的布置位置和形式等 ， 显著提升建筑的整体抗灾性能 。 ”李杰说 。
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结构精细化非线性分析软件与模块研发
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据悉 ， 软件开发后 ， 李杰团队还在国际知名开源结构分析软件平台OpenSees上以“中国规范模型”名义贡献了模块 ， 并基于国际知名有限元平台ABAQUS进行了二次开发 。
据悉 ， 项目已获得5项国家专利、5项软件著作权 ， 出版学术专著1部 ， 发表SCI/EI论文78篇 。 截止2017年 ， 成果已直接应用于30余座大型复杂结构的精细化分析与优化设计 ， 显著提高了结构的抗震性能 。 据不完全统计 ， 全国在建300米以上的超高层项目中 ， 有10%的项目直接应用了该技术 。 项目成果近三年实现直接经济效益4.75亿元 ， 间接经济效益7.85亿元 。
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项目代表性工程应用
摩天大楼“下盘功夫” ， 同济早有探索
帮助摩天大楼练就更多稳扎稳打的功夫 ， 同济大学早有探索 。 解放日报·上观新闻采访人员获悉 ， 该校结构工程与防灾研究所专家历经十余年 ， 研发成功结构抗震防灾新技术 ， 这一“中国功夫”日前首次在抗震研究强国日本实现工程应用 ， 令建筑物的“马步”扎得更稳 。
近年来 ， 随着我国高层建筑结构体系越来越复杂 ， 对高层及超高层建筑的抗震技术需求日益迫切 。 自1994年起,在吕西林教授带领下 ， 课题组致力于开发新型的抗震防灾技术 。 吕西林坦言 ， 在土木工程领域 ， 原始创新非常少 ， 他们的“马步新招”靠的是集成创新,即利用已有技术、设备,达到“1+1>2”的效果 。 相关论文已在国际一流专业杂志《地震工程与结构动力学》(EESD)上发表 。
走在同济大学土木工程系楼梯上 ， 常有人要问：那转角处贴着墙面、顶着天花板的人字形灰色结构干啥用？这正是专家们的得意之作：将橡胶耗能、油阻尼器这两大减震设备创造性地连在一起 ， 不仅能令大楼抵抗住相当于6至7级强震的冲击 ， 而且施工较传统方法更为简易 。 这一消能减震支撑体系 ， 获得国家实用新型专利 ， 并应用于上海市3项实际工程 。 如上海港汇广场商务办公楼的加固设计使用了这一创新技术 ， 整个加固过程中广场基本未停业 。
【同济大学|大楼“长高”如何抗震？同济大学科学家探索“如竹之韧”】让摩天大楼的“下盘功夫”更强 ， 同济大学专家再做“加法” ， 采用各种滑动支座“并联”橡胶支座 ， 组成全新的组合隔震系统 ， 成功应用于超高建筑的基础隔震 。 据了解 ， 它已在日本的4个高层建筑工程中发挥作用 ， 当地企业数据显示 ， 这一技术在达到相同抗震效果前提下 ， 工程成本降低10%左右 ， 产生直接经济效益6169万日元 。
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