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。”

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。”

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。”任晓丹告诉记者，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。李杰告诉记者，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。

文章来源：《世界地震工程》 网址: http://www.sjdzgczz.cn/zonghexinwen/2021/0417/459.html