2019年度国家科学技术奖科学技术进步奖提名公示内容

12019年度国家科学技术奖科学技术进步奖提名公示内容一、项目名称复杂高层结构大震设计理论方法及工程应用二、提名意见该项目围绕高层结构抗震安全的国家重大需求，瞄准结构大震设计分析的国际前沿，在国家和地方研究计划的支持下，系统开展了复杂高层结构大震设计理论方法研究及工程应用，在基于构件损伤和整体失效的结构抗震性能量化评价方法，结构大震失效模式的主动调控技术，基于最优失效模式的结构大震设计理论方法、基于CPU-GPU异构平台的结构大震设计分析软件等四个方面取得了创新性突破。该项目研究成果荣获2017年广东省科学技术进步一等奖、2015年教育部高等学校科学技术进步一等奖等，获发明专利15项、软件著作权5项；发表SCI/EI收录期刊论文200余篇；出版专著3本；以中国工程院欧进萍院士和周绪红院士为主任委员的专家组对本项目国家自然基金重点项目结题验收结论为：该项目在新型结构体系和结构设计理论领域形成了新的研究方向，其研究成果达到国际领先水平。该项目成果自2006年以来已在深圳京基100、航天科技广场等100余项重要建筑工程中得到直接应用，取得了显著的社会和经济效益，经济效益约10亿元，为修订我国结构抗震设计规范和高层结构设计规程提供技术支撑，促进了我国土木建筑结构工程设计领域的科技进步。提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。三、项目简介我国改革开放以来，高层建筑建设规模宏大，结构高度和复杂程度前所未有。据统计，近10年我国200米以上的高层建筑占全球总量的50%以上。同时，我国半数以上的城市都处于强地震区，高层结构的大震设计是保障城市安全和经济持续发展的重大需求。然而，由于对复杂高层结构的大震破坏机理和倒塌机制缺乏深刻认识，尚缺乏结构大震设计的可靠理论和方法。其根本原因在于小震弹性设计管控大震非线性性态，失效评价方法不匹配大震性能目标，失效模式调控局限于构件层次而忽略整体结构，大震设计分析软件不能兼顾精度和效率。为此，本项目围绕高层结构抗震安全的国家重大需求，瞄准结构大震设计分析的国际前沿，在国家和地2方研究计划的支持下，系统开展了复杂高层结构大震设计理论方法研究及工程应用，取得了四方面创新性突破：（1）基于构件损伤和整体失效的结构抗震性能量化评价方法。针对结构非线性刚度时变特性，提出了瞬时等效刚重比的整体结构地震倒塌判别方法；针对现行《高规》单一层间位移指标不能量化校核大震性能目标问题，揭示了从构件损伤到整体结构损伤的传递关系，提出了构件类别及整体结构损伤程度的量化评价方法，实现了结构大震性能目标的量化校核。（2）结构大震失效模式的主动调控技术。针对失效模式调控局限于构件层次而忽略整体结构的问题，从结构体系入手，发明了可引导整体结构大震最优失效模式的附着式和内嵌式高效阻尼技术，以及结构周期可调和耗能全局优化的设计技术，建立了连梁对高层结构最优失效模式的调控机制，研发了结构大震失效模式的主动调控技术。（3）基于最优失效模式的结构大震设计理论方法。针对现行规范“小震设计大震验算”不能直接把握复杂高层结构体系大震非线性性态的问题，建立了基于两阶段抗震设防目标的体系失效模式优选方法，提出了大震设计量化控制指标，确立了由整体结构失效模式反演构件层次设计的流程，创新性地建立了基于最优失效模式的结构大震设计理论方法。（4）基于CPU-GPU异构平台的结构大震设计分析软件。针对现有分析软件不能兼顾精度和效率的问题，开发了兼顾精度和效率的新型梁、墙和阻尼器单元模块，基于超收敛技术和并行算法的高性能计算模块，以及高效建模及综合评价模块，自主研发了基于CPU-GPU异构平台的结构大震设计分析软件。项目成果获2017年度广东省科学技术进步一等奖、2015年度教育部高等学校科学技术进步一等奖等，授权发明专利15项、软件著作权5项，出版专著3部，发表SCI/EI收录期刊论文200余篇。项目成果已在深圳京基100、航天科技广场等100余项高层建筑工程中应用，取得了显著的社会和经济效益，经济效益约10亿元，为修订我国结构抗震设计规范和高层结构设计规程提供技术支撑，促进了我国土木建筑工程设计领域的科技进步。3四、客观评价1.与国内外相关技术的比较技术内容国内外同类技术现状本项目技术优势（1）基于结构整体稳定的地震失效判别方法现有结构整体稳定失效的判别方法是基于小震弹性刚重比和大震层间位移角，没有考虑非线性二阶效应和非线性刚度退化的影响。考虑塑性刚度退化、非线性变形和重力二阶效应影响，创新性地提出了基于非线性瞬时等效刚重比的结构大震整体稳定判别指标。（2）从构件损伤到结构整体损伤的抗震性能量化评价方法仅是研究构件损伤特性和描述，构件损伤与结构整体失效间的联系不明确；大震分析评价只有大震层间位移角单一量化指标，没有量化校核大震性能目标。实现了从构件尺度损伤到结构整体尺度损伤的演化过程描述，建立了基于结构大震性能目标的结构损伤定量评价体系，实现了对大震性能目标的直接校核，丰富了结构大震评价内涵。（3）结构大震失效模式的主动调控技术国内外学者更关注耗能构件本身性能优化及其对结构整体抗震性能影响，未从结构体系入手，发展能够引导结构最优失效模式的主动调控技术，也无具体工程适用性验证。实现了结构周期可调和耗能全局优化，达到了结构大震失效模式的主动调控，重点关注大震非线性变形、关键构件损伤、整体结构耗能能力和抗大震能力等整体结构性能的调控效果。（4）复杂高层结构大震设计方法“小震设计”是通过小震弹性设计加上内力放大系数来管控结构大震非线性性态；“大震验算”是被动的评价手段，且采用了唯一的非线性层间位移角量化指标（而非大震性能目标），并不能有效地对结构大震性态进行主动把握。结构“大震设计”是实现结构合理失效模式的前提下落实构件的屈服顺序，并进行构件的大震设计，实现了结构大震性能的直接设计。突破了“小震设计，大震验算”的局限，建立了基于最优失效模式大震设计的创新理论方法。（5）复杂高层建筑结构大震非线性分析技术和平台现有商业软件的大规模非线性数值分析方法专业的针对性差、或注重精度计算效率不高、或注重计算效率精度不高。开发了多项兼顾效率和精度的核心技术，形成了专业软件，相同软硬件条件下，建模效率提高了6~8倍；大震非线性分析效率提高12倍，兼顾了分析精度和效率，专业性和实用性强。2.验收意见、鉴定结论（1）验收意见2014年2月23日，国家自然科学基金委员会组织召开了本项目核心成果—国家自然科学基金重点项目“超高建筑斜交网格筒结构体系基于失效模式的大震设计理论（50938001）”的结题验收会，以中国工程院欧进萍院士和周绪红院士为主任委员的验收专家组一致认为：该项目对新型结构体系超高建筑斜交网格筒结构基于失效模式的大震设计理论进行了深入系统的研究，取得了一系列有创新意义和应用前景的研究成果，4有力促进了学科建设和发展，在新型结构体系和结构设计理论领域形成了新的研究方向，其研究成果达到国际领先水平。验收组成员认为项目组圆满完成了研究计划书规定的任务，一致同意通过验收，且综合评价等级为“A”。（2）鉴定结论2015年6月15日，广东省科学技术厅在广州市组织召开了本项目成果“复杂高层建筑结构大震失效分析、评价及控制的关键技术与工程应用”的专家鉴定会，以中国工程院聂建国院士为主任委员的鉴定专家组一致认为“该项目总体上达到了国际先进水平，其中在大震失效模式控制技术和基于最优失效模式的大震设计方法等方面达到了国际领先水平”。2018年4月24日，天津市科学技术评价中心组织专家对本项目成果“高层建筑地震损伤分析与控制研究及工程应用”进行鉴定，专家组一致认为：成果创新性强、工程应用效果显著，应用前景广阔，达到了国际领先水平。3.重要科技奖励本项目研究成果先后获得以下科技奖励：（1）2017年度广东省科学技术进步一等奖（2）2015年度教育部高等学校科学技术进步一等奖（3）2016年深圳市科技进步一等奖（4）2018年度天津市科技进步二等奖4.公开发表的学术性评价意见《SmartMaterialsandStructures》和《AHSJournal》副主编、美国马里兰大学WereleyN.M.教授发表在《SmartMaterialsandStructures》的文章对本研究数据进行引用和分析；湖南大学陈政清院士、中南大学杨孟刚博士、美国路易斯安娜州立大学CaiC.S.教授发表在《EngineeringStructures》及《JournalofVibrationandControl》上的文章对本成果进行了多处正面引述。5.专著出版本项目成果出版学术专著3部，均获得了国家科学技术学术著作出版基金的资助，其中《高层建筑结构地震损伤分析与控制》入选“十三五”国家重点出版物出版规划项目“重大工程的动力灾变”学术著作丛书。6.院士、专家学者评价5（1）聂建国院士评价：作者（滕军、李祚华）创新性地提出基于最优失效模式的抗灾结构体系及设计理论，并进行了重大工程实践。在高层结构抗震理论和应用有多处理论突破和具体工程解决问题的独创性成果体现了作者在该领域深入的研究和实践经验。（2）容柏生院士评价：作者（滕军、李祚华）多年科研工作和工程实践的积累体现了作者对该领域的系统把握，以及作者的独创性和对复杂高层建筑结构非线性分析和大震设计方法的贡献。（3）周福霖院士评价：滕军教授在罕遇地震下结构非线性分析和结构抗倒塌体系和分析方面，有许多创新性成果，并应用到重大工程研究和抗震分析中，有很强的发展潜力，对我国结构控制和抗震等领域具有重要贡献（4）欧进萍院士评价：作者（李忠献、徐龙河）在高层结构地震损伤演化分析、失效模式识别与优化、非线性地震损伤控制的原理和方法等形成了完整的理论和方法，促进了我国高层结构抗震理论与技术水平的提升。（5）香港理工大学徐幼麟教授评价：滕军教授在结构控制的成果处于领先地位，具有赶超国际先进水平的实力，在建筑结构抗震方面研究具有独到建树，在土木工程方向进行了多项创新性的学科前沿研究，为全国土木工程前沿研究方向做出了重要贡献。。五、应用情况本项目在复杂高层建筑结构抗震性能分析、大震下结构失效分析、动力性态描述及结构体系失效控制等方面的研究成果为复杂高层建筑结构的抗震设计提供了必要的理论基础和工程应用技术条件，相关成果已在京基100等100余项重要高层建筑结构中得到直接应用。在【创新点1】大震评价技术和【创新点4】设计分析软件方面，本项目成果在深圳京基100、汉京金融中心等数十项复杂高层结构中得到直接应用。通过本项目研发的设计分析软件对结构进行了大震弹塑性分析，根据分析结果采用本项目提出的大震评价方法对结构主要构件及重要节点的损伤情况、顶点最大位移、最大层间位移角及最大基底剪力等重要抗震性能指标进行评价，及时发现结构薄弱部位并提出结构设计改进建议和施工方案，为项目业主及设计施工单位节约了较为可观的工程预算投资。在【创先点2】结构主动调控技术和【创新点3】大震理论设计理论方法方面，本项目成果在航天科技广场项目、深圳达实大厦改扩建项目等数十项项目中得到直接应用。针对该类复杂超高层结构在大震作用下连梁屈服较多且损伤较为严重，导致竖向构件承6载能力被严重削弱的情况，有针对性的将本项目提出的耗能连梁阻尼器进行参数优化和安装方案设计，有效地提高了连梁延性，改善了结构的耗能能力，结构在大震作用下屈服顺序更加合理，为项目业主及设计施工单位节约了较为可观的工程预算投资。本项目的结构大震评价方法、失效模式控制技术及大震设计分析软件等研究成果在节约工程投资的同时，有效地提高了我国高层结构的安全性能，保障了结构在大震作用下的安全运行和人民生命财产安全。本项目关键技术的主要应用单位情况如下表：序号单位名称应用的技术应用对象及规模应用起止时间单位联系人/电话1深圳市航天高科投资管理有限公司大震非线性分析技术及平台；连梁阻尼器；地震失效模式控制技术航天科技广场项目连梁耗能阻尼器技术开发2013-2014李靖/0755-862716182深圳达实信息技术有限公司连梁阻尼器达实大厦改扩建项目耗能连梁阻尼器设计咨询服务2016-201