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冷成型钢结构具有轻质高强、环保节能、施工快捷等特点，契合我国大力倡导的建筑工业化和绿色建筑的发展趋势，具有广泛的应用前景。鉴于我国“人多地少”的基本国情，多层冷成型钢结构更符合我国民用建筑的需求，为此叶继红教授课题组提出了一种能兼顾结构竖向承载、水平抗侧和抗火等多项需求的多层冷成型钢住宅结构体系，本文针对该体系若干关键问题——装配式建造技术、大型结构振动台试验、简化数值分析方法、强震倒塌机理、地震风险和抗震鲁棒性等方面展开系统研究。主要内容与结论如下：
1.为进一步简化多层冷成型钢结构体系的现场施工工序，提高该体系建筑工业化水平，提出可模块化建造的装配式多层冷成型钢复合剪力墙结构体系（PM-CFS-CSWS），通过开展4栋5层结构分层次振动台试验，对比研究了冷成型钢龙骨框架、新型加强块节点、加强型墙体和普通型墙体对多层体系抗震的贡献，得到以下结论：①经过4个振动台模型试验的考验，PM-CFS-CSWS体系的各模块间冷成型钢构件的关键连接均未发生破坏，安全可靠；②底层冷成型钢管混凝土（CFRST）柱柱身和柱底屈曲、梁柱连接件破坏是冷成型钢龙骨框架典型的破坏模式，自攻螺钉连接件破坏（螺钉倾斜、拔出和剪断）和墙板破坏（开裂、局部脱落和脱离掉落）是复合剪力墙典型的破坏模式；③新型加强块节点、加强型墙体和普通型墙体均可提高结构抗震性能，普通型墙体在地震作用较大时贡献突出，加强型墙体的CFRST柱与梁形成的龙骨框架可为结构提供最后一道抗震设防；④试验模型基本满足我国抗震规范对多、高层钢结构的要求，具备与多、高层钢结构相近的抗震能力。⑤建议多层冷成型钢结构仍需进行罕遇地震下的变形验算，其弹塑性层间位移角限值可取为1/30~1/25。
2.基于OpenSees数值平台，建立适用于多层冷成型钢结构抗震模拟的简化数值分析方法，包括：①将CFRST柱内钢管和混凝土一并简化成带“新材料”属性的组合截面，实现CFRST柱的非线性模拟；②将复合剪力墙等效为交叉布置的非线性弹簧，通过Pinching04材性输入剪力墙滞回参数，实现复合剪力墙的非线性模拟；③采用弹簧单元模拟柱底抗拔连接件的力学行为，弹簧刚度可根据墙体拟静力试验获取；④基于“刚性楼盖假定”将组合楼盖简化成刚性平面，并通过算例验证其适用性。采用振动台试验结果验证所提简化数值分析方法，发现数值分析所得结构底层峰值位移、底层墙体累积耗能、顶层峰值位移和结构累积耗能与试验结果相比的误差大多处于10%左右，最大误差为20.8%；数值分析所得结构位移时程曲线和累积耗能曲线准确地追踪了试验模型的变形和耗能过程。表明简化分析方法合理有效且具有较高计算精度。
3.针对经典构形易损性理论应用于框架类结构（钢框架和冷成型钢复合剪力墙结构）的不足，提出改进式理论方法。得到以下结论：①改进式理论考虑了延性构件节点区域由刚接到铰接的破坏过程，可识别经典理论无法识别的结构破坏模式；②准确预测出4层钢框架的底层柱端成铰的薄弱层倒塌模式，以及塑性铰形成的位置和顺序，从理论层面进一步验证了“强节点弱构件”、“强柱弱梁”抗倒塌概念设计的合理性；③准确预测出2层普通型和新型冷成型钢复合剪力墙结构的失效位置与倒塌模式，发现边柱刚度对结构抗倒塌能力有较大影响，应在设计中着重考虑；④分析得到5层冷成型钢复合剪力墙结构可能发生的结构整体倒塌模式，发现易损性指数最高的整体倒塌模式与试验破坏模式一致，最先被解簇的构件与试验破坏最严重的构件一致，验证了改进式理论应用于多层冷成型钢结构倒塌分析的正确性，进而提出多层冷成型钢结构“强框架弱墙板”的抗震设计理念。4.基于响应敏感性分析方法实现多层冷成型钢复合剪力墙结构的冗余特性研究，包括：①提出将冷成型钢构件应变能对弹性模量的敏感性和复合剪力墙耗能对构件刚度的敏感性分别作为冷成型钢构件和复合剪力墙的冗余度评价指标；②克服现有数值手段应用于冷成型钢结构敏感性分析的局限性，提出双单元“叠加式”数值建模法，分别用以输入滞回参数和敏感性参数，并利用经典动力学理论推导证明该方法的可行性；③提出冗余度比例系数限值挑选结构关键性构件。对一栋5层冷成型钢复合剪力墙振动台试验模型进行分析，将分析结果与振动台试验结果对比，发现所挑选的关键性构件恰是试验模型破坏最严重的构件，表明，从冗余特性角度可有效识别多层冷成型钢结构的薄弱区域，进而揭示结构的倒塌机理。
5.基于所提简化数值分析方法，建立一栋典型的6层冷成型钢复合剪力墙结构数值模型，定量分析结构设计、使用过程中可能遇到的多重不确定性作用，并求解结构使用周期内的地震风险。得到以下结论：①结构性能指标的不确定性应作为不确定因素之一，通过对108组试验数据的统计分析和振动台试验校核，建议冷成型钢结构IO、SD和CP性能指标分别为0.5%、1.3%和3.5%，对应的不确定性参数分别为0.300、0.215和0.336；②建议采用数据统计法求解冷成型钢结构的建模不确定性，以36次振动台试验和数值分析的对比结果作为统计依据，得到基于OpenSees建模的冷成型钢结构的建模不确定参数为0.493；③得到6层模型结构的地震不确定参数为0.286~0.344，略低于木结构（0.39），但高于钢框架结构（0.19-0.26），表明冷成型钢结构作为复合结构体系，同时具备两类体系的抗震特性；④得到6层模型结构的结构不确定参数为0.125~0.161，略低于木结构（0.18），与钢框架结构（0.11~0.22）相近，建议研究和设计人员可根据当地建造水平和施工环境，在0.15~0.2之间选取合适的结构不确定性参数；⑤考虑多重不确定性后，冷成型钢结构50年使用周期内的破坏概率显著提高，因此建议应全面考虑多重不确定评估多层冷成型钢结构的地震风险，而不应忽略其中任何一种不确定性影响。
6.以构形易损性理论的分离系数作为后果评价指标，以概率易损性的各性能点的超越概率作为概率评价指标，提出基于双重易损性的结构鲁棒性评估方法。得到以下结论：①基于双重易损性的结构鲁棒性评估方法同时兼顾后果和概率的不成比例性影响，在评估结构鲁棒性时更为灵活与全面，具有很好的应用前景；②完成多层钢框架结构基于双重易损性的抗连续性倒塌条件鲁棒性评估，发现所得鲁棒性结果与结构力学概念一致，验证了该方法的正确性；③以关键性构件失效作为局部损伤事件，完成振动台试验模型基于双重易损性的抗震条件鲁棒性评估，所得鲁棒性结果与相应失效构件的冗余度指标为正相关关系，验证了该方法评估抗震条件鲁棒性的正确性；④摒弃绝大部分文献采用的条件鲁棒性评估假定，不再预先设定局部破坏事件，而以结构基于性能抗震分析的IO、SD和CP破坏状态作为局部破坏事件，提出基于全概率的抗震全局鲁棒性评估方法，发现延性越好的结构具有更高的抗震全局鲁棒性，与Baker教授理论分析结论一致，验证了所提方法的正确性。
主要创新点：
（1）率先提出可模块化建造的装配式多层冷成型钢复合剪力墙结构体系，完成国内首例的大型多层冷成型钢复合剪力墙结构分层次振动台试验；
（2）针对经典构形易损性理论应用于框架类结构的不足，提出改进式构形易损性方法，以易损性视角揭示多层钢框架及冷成型钢结构强震倒塌机理；
（3）提出性能指标不确定性概念和基于试验数据统计不确定性的计算方法，率先开展考虑多重不确定性的多层冷成型钢结构地震风险评估；
（4）提出构形+概率双重易损性的结构鲁棒性评估方法，初步回答了Baker教授在2008年提出的难题——“基于风险的鲁棒性评估框架如何应用于实际结构”。
1.为进一步简化多层冷成型钢结构体系的现场施工工序，提高该体系建筑工业化水平，提出可模块化建造的装配式多层冷成型钢复合剪力墙结构体系（PM-CFS-CSWS），通过开展4栋5层结构分层次振动台试验，对比研究了冷成型钢龙骨框架、新型加强块节点、加强型墙体和普通型墙体对多层体系抗震的贡献，得到以下结论：①经过4个振动台模型试验的考验，PM-CFS-CSWS体系的各模块间冷成型钢构件的关键连接均未发生破坏，安全可靠；②底层冷成型钢管混凝土（CFRST）柱柱身和柱底屈曲、梁柱连接件破坏是冷成型钢龙骨框架典型的破坏模式，自攻螺钉连接件破坏（螺钉倾斜、拔出和剪断）和墙板破坏（开裂、局部脱落和脱离掉落）是复合剪力墙典型的破坏模式；③新型加强块节点、加强型墙体和普通型墙体均可提高结构抗震性能，普通型墙体在地震作用较大时贡献突出，加强型墙体的CFRST柱与梁形成的龙骨框架可为结构提供最后一道抗震设防；④试验模型基本满足我国抗震规范对多、高层钢结构的要求，具备与多、高层钢结构相近的抗震能力。⑤建议多层冷成型钢结构仍需进行罕遇地震下的变形验算，其弹塑性层间位移角限值可取为1/30~1/25。
2.基于OpenSees数值平台，建立适用于多层冷成型钢结构抗震模拟的简化数值分析方法，包括：①将CFRST柱内钢管和混凝土一并简化成带“新材料”属性的组合截面，实现CFRST柱的非线性模拟；②将复合剪力墙等效为交叉布置的非线性弹簧，通过Pinching04材性输入剪力墙滞回参数，实现复合剪力墙的非线性模拟；③采用弹簧单元模拟柱底抗拔连接件的力学行为，弹簧刚度可根据墙体拟静力试验获取；④基于“刚性楼盖假定”将组合楼盖简化成刚性平面，并通过算例验证其适用性。采用振动台试验结果验证所提简化数值分析方法，发现数值分析所得结构底层峰值位移、底层墙体累积耗能、顶层峰值位移和结构累积耗能与试验结果相比的误差大多处于10%左右，最大误差为20.8%；数值分析所得结构位移时程曲线和累积耗能曲线准确地追踪了试验模型的变形和耗能过程。表明简化分析方法合理有效且具有较高计算精度。
3.针对经典构形易损性理论应用于框架类结构（钢框架和冷成型钢复合剪力墙结构）的不足，提出改进式理论方法。得到以下结论：①改进式理论考虑了延性构件节点区域由刚接到铰接的破坏过程，可识别经典理论无法识别的结构破坏模式；②准确预测出4层钢框架的底层柱端成铰的薄弱层倒塌模式，以及塑性铰形成的位置和顺序，从理论层面进一步验证了“强节点弱构件”、“强柱弱梁”抗倒塌概念设计的合理性；③准确预测出2层普通型和新型冷成型钢复合剪力墙结构的失效位置与倒塌模式，发现边柱刚度对结构抗倒塌能力有较大影响，应在设计中着重考虑；④分析得到5层冷成型钢复合剪力墙结构可能发生的结构整体倒塌模式，发现易损性指数最高的整体倒塌模式与试验破坏模式一致，最先被解簇的构件与试验破坏最严重的构件一致，验证了改进式理论应用于多层冷成型钢结构倒塌分析的正确性，进而提出多层冷成型钢结构“强框架弱墙板”的抗震设计理念。4.基于响应敏感性分析方法实现多层冷成型钢复合剪力墙结构的冗余特性研究，包括：①提出将冷成型钢构件应变能对弹性模量的敏感性和复合剪力墙耗能对构件刚度的敏感性分别作为冷成型钢构件和复合剪力墙的冗余度评价指标；②克服现有数值手段应用于冷成型钢结构敏感性分析的局限性，提出双单元“叠加式”数值建模法，分别用以输入滞回参数和敏感性参数，并利用经典动力学理论推导证明该方法的可行性；③提出冗余度比例系数限值挑选结构关键性构件。对一栋5层冷成型钢复合剪力墙振动台试验模型进行分析，将分析结果与振动台试验结果对比，发现所挑选的关键性构件恰是试验模型破坏最严重的构件，表明，从冗余特性角度可有效识别多层冷成型钢结构的薄弱区域，进而揭示结构的倒塌机理。
5.基于所提简化数值分析方法，建立一栋典型的6层冷成型钢复合剪力墙结构数值模型，定量分析结构设计、使用过程中可能遇到的多重不确定性作用，并求解结构使用周期内的地震风险。得到以下结论：①结构性能指标的不确定性应作为不确定因素之一，通过对108组试验数据的统计分析和振动台试验校核，建议冷成型钢结构IO、SD和CP性能指标分别为0.5%、1.3%和3.5%，对应的不确定性参数分别为0.300、0.215和0.336；②建议采用数据统计法求解冷成型钢结构的建模不确定性，以36次振动台试验和数值分析的对比结果作为统计依据，得到基于OpenSees建模的冷成型钢结构的建模不确定参数为0.493；③得到6层模型结构的地震不确定参数为0.286~0.344，略低于木结构（0.39），但高于钢框架结构（0.19-0.26），表明冷成型钢结构作为复合结构体系，同时具备两类体系的抗震特性；④得到6层模型结构的结构不确定参数为0.125~0.161，略低于木结构（0.18），与钢框架结构（0.11~0.22）相近，建议研究和设计人员可根据当地建造水平和施工环境，在0.15~0.2之间选取合适的结构不确定性参数；⑤考虑多重不确定性后，冷成型钢结构50年使用周期内的破坏概率显著提高，因此建议应全面考虑多重不确定评估多层冷成型钢结构的地震风险，而不应忽略其中任何一种不确定性影响。
6.以构形易损性理论的分离系数作为后果评价指标，以概率易损性的各性能点的超越概率作为概率评价指标，提出基于双重易损性的结构鲁棒性评估方法。得到以下结论：①基于双重易损性的结构鲁棒性评估方法同时兼顾后果和概率的不成比例性影响，在评估结构鲁棒性时更为灵活与全面，具有很好的应用前景；②完成多层钢框架结构基于双重易损性的抗连续性倒塌条件鲁棒性评估，发现所得鲁棒性结果与结构力学概念一致，验证了该方法的正确性；③以关键性构件失效作为局部损伤事件，完成振动台试验模型基于双重易损性的抗震条件鲁棒性评估，所得鲁棒性结果与相应失效构件的冗余度指标为正相关关系，验证了该方法评估抗震条件鲁棒性的正确性；④摒弃绝大部分文献采用的条件鲁棒性评估假定，不再预先设定局部破坏事件，而以结构基于性能抗震分析的IO、SD和CP破坏状态作为局部破坏事件，提出基于全概率的抗震全局鲁棒性评估方法，发现延性越好的结构具有更高的抗震全局鲁棒性，与Baker教授理论分析结论一致，验证了所提方法的正确性。
主要创新点：
（1）率先提出可模块化建造的装配式多层冷成型钢复合剪力墙结构体系，完成国内首例的大型多层冷成型钢复合剪力墙结构分层次振动台试验；
（2）针对经典构形易损性理论应用于框架类结构的不足，提出改进式构形易损性方法，以易损性视角揭示多层钢框架及冷成型钢结构强震倒塌机理；
（3）提出性能指标不确定性概念和基于试验数据统计不确定性的计算方法，率先开展考虑多重不确定性的多层冷成型钢结构地震风险评估；
（4）提出构形+概率双重易损性的结构鲁棒性评估方法，初步回答了Baker教授在2008年提出的难题——“基于风险的鲁棒性评估框架如何应用于实际结构”。