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现阶段我国抗震设计规范中“大震不倒”的抗震设防目标是基于抗震概念设计，并通过结构薄弱楼层的弹塑性变形验算来实现的。这种抗震设计方法仅仅通过薄弱层变形验算来被动把控结构的大震性态，无法体现结构地震失效模式的合理与否，难以确保大震作用下结构合理失效模式的形成。所以亟需发展一种基于失效模式的大震设计方法，依据结构预期失效过程中的损伤性能进行大震性态设计，实现结构合理地震失效模式的主动调控。为此，本文在确定结构合理地震失效模式的基础上，通过结构预期损伤的反演得到构件预期损伤，并将构件预期损伤引入到结构的非线性抗震设计中来落实构件层次的大震设计，从而为实现结构合理地震失效模式的主动调控提供新方法。具体研究内容如下：
以高层结构的地震失效模式为出发点，针对不同的地震失效模式，通过分析对比各类构件损伤的演化过程，揭示了结构的损伤分布、损伤顺序和损伤程度的变化规律。在此基础上通过构件损伤加权计算得到构件整体损伤，同时结合结构的抗震概念，对比分析了各类构件的损伤相对关系，并基于构件损伤相对关系进行了结构合理地震失效模式的研究，明确了各类构件损伤相对关系对结构地震失效模式的影响，确定了结构的合理地震失效模式。
基于结构的合理地震失效模式，进行了结构预期损伤反演设计的研究。分析了竖向构件轴压比、框架梁柱线刚度比、核心筒整体系数及柱墙轴压比比值对各类构件的损伤相对关系和楼层损伤分布模式的影响，并通过量化分析选取了合理的控制指标。在此基础上通过结构层次与构件层次的损伤加权关系，提出了通过结构预期损伤反演构件预期损伤的设计原理，并结合构件损伤相对关系和楼层损伤分布模式对损伤加权关系的影响，提出了结构预期损伤反演的设计公式，给出了具体的反演设计流程，落实了结构预期损伤到构件预期损伤的反演设计。
基于构件的预期损伤，进行了构件层次的大震设计研究。基于结构损伤对地震内力需求折减的影响，给出了构件预期损伤与地震内力需求折减的量化关系，落实了基于构件预期损伤的非线性内力需求设计。通过对比分析构件破坏模式对其非线性受力性能退化的影响，阐明了构件非线性受力性能退化的主要影响因素和相应的控制参数，并基于控制参数的量化分析，明确了构件损伤程度和非线性受力性能退化的量化关系，最终通过构件的非线性受力性能的设计落实了构件层次的大震设计，建立了基于预期损伤的大震设计方法，实现了结构合理地震失效模式的主动调控。
为验证本文大震设计方法的有效性，进行了模拟地震振动台试验研究。分别按规范和本文大震设计方法设计了两栋框架核心筒结构模型，采用三条地震波21种试验工况来进行模拟地震振动台试验。通过对比分析结构模型的损伤分布特点和各类构件的损伤相对关系，系统论证了本文提出的大震设计方法可以实现结构地震失效模式的主动调控，有效地落实了构件层次的大震设计，确保了大震作用下结构合理地震失效模式的形成；并进一步地对比分析了结构加速度响应、层间位移角、结构周期、阻尼比、结构层间剪力等，验证了本文提出的大震设计方法可以改善和强化结构的整体抗震性能，体现了本文大震设计方法的有效性和优越性。
以高层结构的地震失效模式为出发点，针对不同的地震失效模式，通过分析对比各类构件损伤的演化过程，揭示了结构的损伤分布、损伤顺序和损伤程度的变化规律。在此基础上通过构件损伤加权计算得到构件整体损伤，同时结合结构的抗震概念，对比分析了各类构件的损伤相对关系，并基于构件损伤相对关系进行了结构合理地震失效模式的研究，明确了各类构件损伤相对关系对结构地震失效模式的影响，确定了结构的合理地震失效模式。
基于结构的合理地震失效模式，进行了结构预期损伤反演设计的研究。分析了竖向构件轴压比、框架梁柱线刚度比、核心筒整体系数及柱墙轴压比比值对各类构件的损伤相对关系和楼层损伤分布模式的影响，并通过量化分析选取了合理的控制指标。在此基础上通过结构层次与构件层次的损伤加权关系，提出了通过结构预期损伤反演构件预期损伤的设计原理，并结合构件损伤相对关系和楼层损伤分布模式对损伤加权关系的影响，提出了结构预期损伤反演的设计公式，给出了具体的反演设计流程，落实了结构预期损伤到构件预期损伤的反演设计。
基于构件的预期损伤，进行了构件层次的大震设计研究。基于结构损伤对地震内力需求折减的影响，给出了构件预期损伤与地震内力需求折减的量化关系，落实了基于构件预期损伤的非线性内力需求设计。通过对比分析构件破坏模式对其非线性受力性能退化的影响，阐明了构件非线性受力性能退化的主要影响因素和相应的控制参数，并基于控制参数的量化分析，明确了构件损伤程度和非线性受力性能退化的量化关系，最终通过构件的非线性受力性能的设计落实了构件层次的大震设计，建立了基于预期损伤的大震设计方法，实现了结构合理地震失效模式的主动调控。
为验证本文大震设计方法的有效性，进行了模拟地震振动台试验研究。分别按规范和本文大震设计方法设计了两栋框架核心筒结构模型，采用三条地震波21种试验工况来进行模拟地震振动台试验。通过对比分析结构模型的损伤分布特点和各类构件的损伤相对关系，系统论证了本文提出的大震设计方法可以实现结构地震失效模式的主动调控，有效地落实了构件层次的大震设计，确保了大震作用下结构合理地震失效模式的形成；并进一步地对比分析了结构加速度响应、层间位移角、结构周期、阻尼比、结构层间剪力等，验证了本文提出的大震设计方法可以改善和强化结构的整体抗震性能，体现了本文大震设计方法的有效性和优越性。