建筑结构体系的抗震韧性——理论、设计、模拟与试验 郭彤 徐刚 李爱群

建筑结构抗震韧性相关理论和技术，是我国韧性城市战略目标的实现的科学基础。本书由东南大学郭彤、徐刚及李爱群教授研究团队合著，总结了东南大学多年来在建筑结构防灾安全与韧性提升的研究成果，针对剪力墙结构和框架结构，从理论、设计、模拟和试验方面介绍了抗震韧性提升相关理论和前沿技术，为未来的抗震结构设计提供了理论支持和实践指导，具有重要的学术价值和应用前景。本书采用4色印刷，便于读者理解和分析相关研究成果。

地震是人类需要面临的自然灾害之一。由于其随机性和突发性，地震难以准确预测，往往造成灾难的性后果。传统结构抗震设计方法是依靠增加结构自身的强度、变形能力来抗震的，在建筑可能遭遇的大震下，允许结构发生较大程度的损伤。近年来发生在新西兰、日本、中国等国家的大地震表明，即使可以做到结构大震不倒，结构和非结构构件的损伤仍然导致了结构成为站立的废墟，造成巨大的经济损失。随着控制技术的兴起，建筑结构领域出现了将地震荷载的输入能量集中于特殊装置从而控制结构损伤，提升抗震韧性的概念。本书针对剪力墙结构和框架结构，从理论、设计、模拟和试验方面介绍了新型抗震韧性提升技术。由以下内容构成：上篇（第1~7章）为抗震韧性剪力墙结构，从改善混凝土剪力墙结构抗震韧性出发，创新性地提出了混凝土夹心剪力墙，对夹心剪力墙进行了弹性力学分析、试验研究和数值模拟；在此基础上，提出了适用于装配式混凝土夹心剪力墙的刚性和耗能连接方式，开展了装配式混凝土夹心剪力墙墙体和结构试验研究、数值模拟和力学性能分析；最后分别对刚性连接和摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构提出了抗震设计方法，并分别针对各设计方法设计算例进行了验证。下篇（第8~12章）为抗震韧性框架结构，为增强框架结构抗震韧性，提升自复位技术的经济性和实用性，首先提出并分析了一种新型旋转自复位节点，探讨其受力特点和抗震性能，通过试验验证其优良的滞回性能，并提出变刚度自复位节点的设计思路；然后，设计了一种新型自复位支撑，并通过理论和试验研究验证其在不同荷载条件下的力学性能，尤其是在大震下控制位移响应的能力；对比分析现有的等效线性化方法，提出一种新方法用于预测旗帜型滞回行为的非线性响应，并通过动力时程分析验证其优于传统方法的预测精度；最终，通过试验和数值模拟分析，验证了新型自复位框架结构体系的有效性和应用潜力，为抗震韧性框架结构的设计与应用奠定了基础。 本书适用于结构设计人员及高等院校土木工程专业教师和研究生。

郭彤，东南大学首席教授、二级教授、美国土木工程师学会会士（ASCE Fellow）、国家杰出青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、青年长江学者、科技部中青年科技创新领军人才、江苏省特聘教授。现任东南大学土木工程学院院长、长大桥梁安全长寿与健康运维全国重点实验室副主任。主要从事结构状态评估与性能提升领域的研究，包括结构健康监测与状态评估、新型抗震结构体系及结构振动控制等。连续入选爱思唯尔中国高被引学者、斯坦福全球前2%顶尖科学家榜单。主持国家重点研发计划项目（2项）、国家自然科学基金（7项）等30余项科研项目。已发表学术论文300余篇（SCI论文250篇），获国家发明专利授权50余件（美国、澳大利亚专利3件），主编/参编著作4部、国家/行业/省级标准15部。获国家科技进步二等奖2项、省部级科技一等奖3项、国家级行业学会科技特/一等奖3项、日内瓦国际发明博览会金奖和特别金奖等。担任10余种SCI和中文顶级期刊副主编/编委。
徐刚，东南大学副研究员（教学科研）。主要从事土木工程结构防灾安全与韧性提升领域的研究，包括建筑结构抗震性能评估与新型抗震韧性结构体系研发等。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、国家重点研发项目子课题、中国博士后基金特别资助和面上资助等10余项项目。已发表学术论文60余篇（SCI论文45篇），获国家发明专利授权10余件（国际专利2件），参编行标/团标5部。获国家级行业学会科技一等奖（3项）、巴黎国际发明展金奖和日内瓦国际发明展银奖等，入选全国工程建设行业杰出青年、首届江苏省“U35攀峰—U35探索”人选、江苏省青年科技人才托举工程、国家资助博士后计划和江苏省卓越博士后计划等。担任7种中英文期刊编委/青年编委/客座编辑。
李爱群，北京建筑大学首席教授、东南大学特聘教授，国家级教学名师、国家杰出青年基金获得者、全国高校黄大年式教师团队负责人、北京学者、宝钢教育基金优秀教师特等奖获得者，住建部抗震设防专委会副主任委员、中国勘察设计协会隔减震专委会副主任委员。长期从事土木工程结构抗震抗风与隔震减震、工程结构新体系、结构健康监测与安全评估等方向的研究，是我国土木工程防灾领域的知名学者。主持了国家杰青项目、国家科技支撑计划、国家重点研发计划、863计划、国家自然科学基金重点项目等数十项国家级科技项目和重点工程科技攻关项目，获国家科技进步二等奖3项、省部级科技一等奖9项等科技奖项。出版专著9部，获国家发明专利授权60余项。

前言
上篇抗震韧性剪力墙结构
第1章绪论2
1.1研究背景2
1.2研究现状3
1.2.1传统混凝土剪力墙3
1.2.2改进混凝土剪力墙4
1.2.3刚性连接装配式混凝土剪力墙7
1.2.4耗能连接装配式混凝土剪力墙9
1.3本篇研究内容13
本章参考文献14
第2章混凝土夹心剪力墙的弹性力学分析21
2.1理论基础22
2.2力学分析23
2.2.1分析模型23
2.2.2弹性力学解24
2.3多夹心剪力墙27
2.4结果讨论29
2.5本章小结38
本章参考文献38
第3章混凝土夹心剪力墙的抗震性能试验研究39
3.1试验概述39
3.1.1试件设计39
3.1.2材料属性和加载装置41
3.1.3加载制度与测点布置42
3.2试验结果分析43
3.2.1破坏形态43
3.2.2水平力-位移曲线45
3.2.3承载能力和变形能力47
3.2.4刚度退化和耗能能力48
3.3本章小结50
本章参考文献51
第4章混凝土夹心剪力墙的抗震性能影响因素分析52
4.1数值模型52
4.1.1材料本构52
4.1.2单元和边界54
4.1.3模型和求解54
4.2结果对比分析55
4.2.1骨架曲线对比55
4.2.2破坏形态对比56
4.3抗震性能影响因素分析59
4.3.1轴压比59
4.3.2剪跨比59
4.3.3夹心段长度比61
4.3.4夹心板厚度比62
4.4本章小结64
本章参考文献64
第5章装配式混凝土夹心剪力墙结构的抗震性能试验研究66
5.1墙体试验设计67
5.2墙体试验结果分析70
5.2.1破坏形态70
5.2.2水平力-位移曲线71
5.2.3刚度退化和耗能能力74
5.3结构试验设计75
5.3.1试件描述75
5.3.2材料属性78
5.3.3加载装置78
5.3.4加载制度和测点布置79
5.4结构试验结果分析81
5.4.1水平力-位移曲线81
5.4.2破坏形态84
5.4.3耗能能力85
5.4.4自复位能力87
5.5本章小结88
本章参考文献89
第6章装配式混凝土夹心剪力墙结构的力学性能分析与评估91
6.1墙体数值模拟分析研究91
6.1.1数值模拟对比分析91
6.1.2抗震性能影响因素分析94
6.2结构数值模拟分析研究97
6.2.1数值模拟对比分析97
6.2.2抗震性能影响因素分析99
6.3摩擦耗能连接装配式结构力学性能评估107
6.3.1受力分析108
6.3.2试验对比分析111
6.4本章小结114
本章参考文献115
第7章装配式混凝土夹心剪力墙结构的抗震设计方法研究116
7.1基于位移的抗震设计方法116
7.1.1性能目标116
7.1.2设计步骤117
7.1.3设计算例118
7.2直接基于震后可修复性的抗震设计方法125
7.2.1非线性位移比谱与残余位移比谱126
7.2.2抗震设计方法140
7.2.3设计算例143
7.3本章小结146
本章参考文献147
下篇抗震韧性框架结构
第8章绪论150
8.1研究背景150
8.2自复位装置研究现状152
8.2.1形状记忆合金类153
8.2.2预应力丝束类155
8.2.3机械弹簧类156
8.3自复位结构研究现状158
8.3.1试验研究158
8.3.2抗震分析与设计159
8.4本篇研究内容161
本章参考文献162
第9章自复位节点的力学性能研究166
9.1引言166
9.2受力分析167
9.2.1工作原理167
9.2.2理论分析168
9.2.3数值模拟171
9.2.4参数分析171
9.3试验研究173
9.3.1碟簧试验173
9.3.2摩擦系数测定176
9.3.3节点试验176
9.4本章小结181
本章参考文献181
第10章自复位支撑的力学性能研究183
10.1引言183
10.2工作原理185
10.3试验研究188
10.3.1试验概况188
10.3.2试验结果190
10.4结构响应分析193
10.4.1数值模型193
10.4.2抗震设计方法195
10.4.3支撑框架原型结构195
10.4.4结果与讨论196
10.5本章小结200
本章参考文献201
第11章自复位结构的等效线性化及设计方法研究204
11.1引言204
11.2滞回参数影响205
11.3传统等效线性化方法207
11.3.1若干传统等效线性化方法207
11.3.2不同方法的比较209
11.4创新等效线性化方法(Proposed方法）214
11.4.1最优等效线性化流程215
11.4.2回归分析220
11.5有效性验证222
11.5.1精度评估222
11.5.2响应预测223
11.6基于等效线性化模型的抗震设计方法224
11.6.1抗震设计方法224
11.6.2算例设计与分析验证225
11.7本章小结229
本章参考文献230
第12章自复位拉索支撑钢框架结构的抗震性能研究232
12.1引言232
12.2自复位摩擦阻尼器力学性能233
12.2.1理论分析233
12.2.2试验研究235
12.3支撑框架结构振动台试验236
12.3.1结构模型设计236
12.3.2试验准备239
12.3.3试验结果241
12.4数值模拟245
12.4.1模型建立245
12.4.2模型验证246
12.4.3参数分析247
12.5本章小结249
本章参考文献250
第13章结语252
13.1当前的问题252
13.2未来的研究方向253
附录255
附录A选取的地震动记录255
附录B单自由度模型响应箱形图257
附录C单自由度模型非线性位移比259
附录D单自由度模型残余位移比262
附录E单自由度模型最大绝对加速度265
附录F单自由度模型总滞回耗能268

城市作为现代化发展的重要载体和人民群众高品质生活的核心空间，其安全性与可持续性已成为国家战略关注的重点。党的二十大报告明确提出实施城市更新行动，加强城市基础设施建设，着力打造宜居、韧性、智慧城市的发展目标。这一战略导向在中共中央办公厅和国务院办公厅联合发布的《关于推进新型城市基础设施建设打造韧性城市的意见》（2024年11月26日）中得到进一步深化，文件明确提出了“2027年新型城市基础设施建设取得明显进展，2030年建成一批高水平韧性城市”的阶段性目标，为城市韧性建设指明了方向。
提升基础设施韧性不仅关乎城市功能优化和民生福祉，更是增强城市抗灾能力、保障生命财产安全、促进经济社会可持续发展的关键举措。建筑结构作为城市基础设施的核心组成部分，其长期安全性、稳定性和可持续性直接影响着城市的正常运行与发展。
地震灾害是人类生存、社会与经济发展所面临的重大自然灾害之一。2003年，Bruneau等人首次提出结构抗震韧性（Seismic resilience）的理念，在此之后，国内外学者和组织多次将抗震韧性作为会议主题，促进了抗震韧性在地震工程各个领域的发展。例如，2009年1月在NEES/EDefense美日地震工程第二阶段合作研究计划会议上，美日学者首次提出将“建造抗震韧性城市”作为地震工程合作的重要方向。2011年的新西兰基督城地震是现代地震史上的一个标志性事件。由于新西兰的抗震设防措施较为有力，在基督城地震中倒塌的建筑物很少。然而，由于大量建筑严重破坏，没有修复价值，导致整个基督城中央商务区有70%的建筑必须拆除重建，这充分体现了提升建筑结构抗震韧性的重要价值。
当前我国建筑结构在抗震韧性方面也面临严峻挑战：一方面，受历史技术局限，大量既有建筑和基础设施抗震设防水平较低，难以满足现代城市韧性建设要求；另一方面，现行“以损伤换安全”的延性抗震设计范式，虽可通过结构构件塑性耗能避免倒塌，却导致混凝土压溃、钢筋屈曲等不可逆损伤，无法满足“震后可恢复性”的韧性要求。在此背景下，推进建筑抗震韧性系统性提升，既是实施城市更新行动、化解“存量建筑安全风险”的关键路径，更是具体践行“人民城市”理念、推动新质生产力背景下城市治理现代化的重要技术革命，对实现高质量发展目标具有战略意义。
鉴于此，研究团队针对剪力墙结构和框架结构，从理论、设计、模拟和试验方面介绍了抗震韧性提升相关理论和前沿技术，为未来的抗震结构设计提供了理论支持和实践指导，具有重要的学术价值和应用前景。本书内容如下：
上篇（第1～7章）为抗震韧性剪力墙结构。该部分从改善混凝土剪力墙结构抗震韧性出发，创新性地提出了混凝土夹心剪力墙，并对其进行了弹性力学分析、试验研究和数值模拟；在此基础上，提出了适用于装配式混凝土夹心剪力墙的刚性和耗能连接方式，开展了相关墙体和结构的试验研究、数值模拟和力学性能分析；最后，对摩擦耗能连接装配式混凝土夹心剪力墙结构提出了抗震设计方法，并针对各方法设计算例进行了验证。下篇（第8～12章）为抗震韧性框架结构。为增强框架结构抗震韧性，提升自复位技术的经济性和实用性，首先提出并分析了一种新型旋转自复位节点，深入探讨其受力特点和抗震性能，并提出变刚度自复位节点的设计思路；然后设计了一种新型自复位支撑，并通过理论和试验研究验证其在不同荷载条件下的力学性能，尤其是在大震下控制位移响应的能力；通过对比分析现有的等效线性化方法，提出用于预测自复位结构非线性响应的一种新方法，并通过动力时程分析验证其预测精度优于传统方法；最后通过试验和数值模拟分析，验证了新型自复位框架结构体系的有效性和应用潜力，为抗震韧性框架结构的设计与应用奠定了基础。第13章为小结，总结了本领域现存的主要问题，并对未来发展进行了展望。
本书的研究工作得到国家自然科学基金杰青项目（批准号：52125802）和国家自然科学基金青年项目（批准号：52108440）、江苏省自然科学基金青年项目（批准号：BK20210253）等科研项目的资助，在此表示衷心感谢！另外，张恒源博士和汪诗园老师深度参与了本书多项关键研究工作，并承担了多个章节的内容整理和总结，为书稿的完成发挥了重要作用；研究生晁磊、智国梁和王开睿等在成稿过程中提供了支持。
囿于著者水平和知识范围，书中难免有疏漏之处，且部分内容具有探索性质，衷心希望读者不吝指正，以期在今后加以改进和完善。

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