摘要
摘要
高层结构地震作用下倒塌主要由结构局部损伤破坏引起，其根本原因是高
层结构中不同抗侧分体系局部过度消耗超静定次数，形成薄弱部位直至结构丧
失整体抗侧能力。而现行“小震设计、大震验算”或直接基于罕遇地震下极限
状态性能（能量、位移、力等）等效弹性内力的设计方法，虽然已认识到结构
抗震分体系组成、塑性内力重分布及多道抗震设防等抗震概念，但在设计过程
中往往忽略了塑性发展过程中结构存在大量不同失效模式的影响，只能被动管
控结构抗大震能力，常使结构发生局部或薄弱层失效，其特点表现为失效路径
短、塑性发展和超静定次数消耗不充分，最终致使结构整体非线性抗力和耗能
能力难以有效提升。因此，针对高层结构体系如何调控出失效路径清晰、构件
逐步失效和可反映塑性发展全过程的渐进地震失效模式，研发可调控结构渐进
地震失效模式的调控技术，并确立适配渐进地震失效全过程的地震作用及抗震
性能指标，最终提出可考虑塑性发展全过程的抗震设计方法，为提升高层结构
整体抗倒塌能力提供创新理论方法意义重大。为此，本文针对高层结构，通过
揭示分体系间构件分类交替屈服和分体系内耗能构件分批次耗能的渐进地震失
效模式形成机制，实现了失效方向可控、失效路径延长、塑性发展充分的渐进
地震失效模式调控，研发了以调控渐进地震失效模式为目标的塑性可控部件，
并确立了考虑结构多阶段塑性内力重分布的抗震性能指标，在此基础上提出了
基于渐进地震失效模式的分阶段抗震设计方法。论文主要工作如下：
高层结构渐进地震失效模式及其调控。依据结构抗侧分体系间内力重分布
特性，确立了以多次塑性剪力定向往复转移作为分体系间构件的交替屈服原则，
依据抗侧分体系内沿高度方向受力特点，确定了以综合考虑楼层剪力和变形规
律作为分体系内耗能构件的分批次耗能原则，进而揭示了抗侧体系的渐进地震
失效模式形成机制。通过调控结构从上向下、从中部向两端以及从下向上3种
失效方向的渐进地震失效模式，实现了可以延长失效路径、充分形成塑性的清
晰路径的渐进地震失效模式，在此基础上明确了3种失效方向的渐进地震失效
模式对结构层间位移角、非线性抗力、延性以及耗能能力的调控作用。最终，
通过对比分析地震失效模式调控前和渐进地震失效模式调控后的高层结构抗震
性能，验证了从上向下失效方向的渐进地震失效模式可以调控结构耗能能力更
强、延性更好以及非线性抗力更高。
基于渐进地震失效模式调控的塑性可控部件。以高层结构渐进地震失效模
式调控为出发点，发展了2种刚度和承载能力独立调整的塑性可控部件（节点
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
部件和连梁部件），给出了塑性可控部件的刚度和承载力调整原则，并揭示了
塑性可控部件的刚度和承载力独立调整实现机制。通过对比分析塑性可控部件
和钢筋混凝土构件的试验研究，验证了塑性可控部件能够实现与钢筋混凝土构
件等刚度下塑性控制于部件内的构件失效模式调控功能。通过对比分析具有不
同长细比耗能段的节点部件试验研究，验证了通过调整节点部件耗能段长细比
参数能够保证节点部件刚度的同时调整不同梯度的承载能力。通过对比分析具
有不同预制混凝土板参数的连梁部件试验研究，验证了连梁部件的内嵌钢板独
立调整承载能力以及预制混凝土板参与调整刚度的概念设计。在此基础上提出
了能够反映独立调控的塑性可控部件设计方法，并通过试验研究验证了塑性可
控部件设计方法的有效性。
考虑结构多阶段塑性内力重分布的抗震性能指标。结构在地震作用下存在
多次塑性内力重分布，结构受到的地震作用以及抗震性能指标的确定不仅与结
构动力特性有关，而且与结构塑性内力重分布阶段有关。为此，本文明确了以
塑性内力重分布关键点为控制点的侧向力分布模式多阶段划分原则，确定了与
各阶段相匹配的瞬时振型等参数的具体数值，提出了能够反映结构塑性内力重
分布过程的基于多阶段振型组合的侧向力分布模式，并结合考虑地震动持时、
幅值及频谱特性的往复位移历程，建立了考虑结构塑性发展全过程的标准地震
作用，确定了基于标准地震作用的抗震性能指标。通过对比分析基于标准地震
作用、非线性动力时程分析以及不同非线性静力分析确定的层间位移角及层间
剪力等抗震性能指标，验证了基于标准地震作用的结构抗震性能指标的优越性。
基于渐进地震失效模式的高层结构分阶