（1）揭示了强震下多层房屋的地震倒塌破坏机理
房屋倒塌与否是震害防御工作最关键的问题。强烈地震作用下，房屋为什么倒？怎样才能不倒？这就是倒塌机理问题。以我国城镇常见的结构—多层钢筋混凝土框架为例，国内外现行规范将多层混凝土框架结构地震倒塌机理概括为因“弱柱强梁”形成“层屈服机制”而倒塌。为避免倒塌，需要把框架结构设计成“强柱弱梁”，考虑现浇楼板对梁的加强作用，要求柱的抗弯承载力一般比梁高出50%左右。然而一次又一次的国内外破坏性地震几乎见不到所期望的“强柱弱梁”，相反见到的都是“弱柱强梁”。这说明原有的设计理论与实际震害还有很大差别。用一个案例来说明这一问题的尖锐性。2008年汶川地震中，位于震中的漩口中学三栋构造相近的多层混凝土框架教学楼全部倒塌，而临近的教师办公楼和教师公寓则不但没倒塌，连倾斜都没有。依据经历实际震害的结构图纸，防灾团队十年不中断地开展现场调查、模型实验、理论分析，初步回答了为什么倒和怎样才能不倒的问题。相关成果体现于出版的专著《钢筋混凝土框架结构地震倒塌机理》书中，相关方法已经在芦山地震后应用于芦山县房屋结构的抗震能力评估和加固设计，使200余栋房屋避免了不必要的拆除重建。2018年8月27日，团队参与摄制的《应对地震的方法》，在中国中央电视台科教频道首播，介绍了团队对房屋地震倒塌破坏机理的新认识。关于结构地震倒塌机理认识的论文“汶川大地震震害特点与成因分析”在《地震工程与工程振动》杂志发表后，已被包括中国工程院周福霖院士在内的众多学者正面引用，累计他引76次。
（2）把握高层剪力墙结构地震响应规律、发展了结构抗震分析方法
2019年6月17日，四川省长宁县发生M6.0地震，震中位于长宁县双河镇，地理坐标为北纬28.34度，东经104.90度，震源深度16km。地震造成13人死亡，199人受伤，房屋倒塌3198间，严重损坏47466间。
和以往地震不同，长宁地震中，距震中12km的珙泉镇及距震中22km的珙县县城（巡场镇）有大量的民用高层建筑，层数介于18层到31层。珙泉镇有20余栋，巡场镇有40余栋。设置在巡场镇的强震仪记录到0.6g的强地面运动，而这些高层建筑的抗震设防为6度（0.05g）。这对于考察高层建筑地震响应规律、探讨其极限抗震能力是一个十分难得的机遇，在巡场长宁6.17地震后的几个月内余震不断，震前布置的地表强震仪和结构顶层强震观测系统，获得了丰富的地震记录和对应的结构响应，这为进一步探求高层建筑的真实地震响应提供了宝贵而又丰富的数据（见图13至图16）。利用这些数据，正在开展观测与分析相结合的“高层建筑地震响应规律”以及高层建筑层间位移角限值确定方法研究。
（3）建立了用于评价城乡韧性水准的“散、脆、偏、单”结构抗震能力评定新方法
一个区域的抗震韧性水平是高还是低？如果不高，存在什么具体问题，如何改进？这是非常现实的问题。回答这些问题，实际震害是最有说服力的。如果某城区或乡村的一栋栋房屋经历强烈地震不倒塌，那就是韧性水平高。通过震害类比所得到的关于结构抗震能力强弱的认识再通过专门设计的地震模拟实验进行验证和矫正，最后应用结构力学基本理论加以统领，就得到了经得起实践检验的新理论，这个新理论可以概括为“散、脆、偏、单”抗震性能判别准则。任何一个结构，凡是具有“散、脆、偏、单”任何一个不利方面，在未来7级甚至更强的地震作用下，将发生不同程度的破坏甚至倒塌。“散、脆、偏、单”每个字各有具体的表现形式。
散：以农村自建房为代表，纵墙和横墙之间缺少构造柱连接，墙与楼（屋）盖之间缺少圈梁连接，结构缺少整体性，强烈地震作用下，结构出现粉碎性倒塌。反之，有完善的圈梁和构造柱，可实现“整而不散”，历经强震而不倒。
脆：脆的含义是结构或构件在力作用下尚未有可感知的变形就破坏的特性。凡主要承重构件由脆性材料砌筑的结构，整体表现出脆性破坏以致
倒塌。此外，因设置窗洞形成的短柱也表现出很强的脆性。地震作用下，短柱侧向刚度很大，分担了大部分地震剪力，可是变形并不明显，此时已处于十分危险的“隐蔽”状态，随时发生突然剪断而引发结构整体倒塌。通过改变材料及构件构造方式，使结构有足够的延性，即“延而不脆”，就可达到历经强震而不倒。
偏：前述多层混凝土框架因不均衡设置半高连续填充墙及底商多层砌体临街一侧相对空旷，纵向刚度比其他两道纵墙小很多。这就是典型的“偏”。通过平衡刚度就可均衡内力，实现“匀而不偏”，确保结构经历强震而不倒。
单：是指结构体系缺少冗余度的特性。比如空旷的单跨框架或拐角仅靠单柱支撑的多层框架，这样的结构一旦其中少数关键构件失效，则造成大面积连锁倒塌。对结构的关键构件施加备份可以实现“冗而不单”，以实现历经强震而不倒。
为便于操作，将上述方法细化后形成了现场调查表。“散、脆、偏、单”评定法瞄准未来可能发生的M7.0级及以上地震。为此建立了震级与极震区烈度之间的关系以及各等级地震动强度的空间分布。将基于“散、脆、偏、单”方法评定的建筑单体抗震能力与设定地震引起的地震动场相结合，得到具有空间分布特征的震害场景，据此研发了城乡“震害推演系统”。
依据多次实际震害经验，并通过地震模拟实验进行验证和校正，得到了更加符合实际描述震害程度的矩阵表。该系统能够把所调查的房屋及生命线工程的空间属性和物理属性紧密结合起来，并可以计算出不同震级的地震所形成的空间震动场。由此，该系统可以管理、分析、统计当地及周边发生破坏性地震时所产生的震害，包括哪里震害重，哪里震害轻，轻重的空间分布，房屋倒塌多少、严重破坏多少等。具体应用时可在任意范围内设定5.0级、6.0级、7.0级地震，系统将呈现震中最强的放射状展布的烈度图，对某一房屋而言，由其自身的空间坐标获得了该次设定地震的烈度值，由其自身物理属性（抗震能力强弱）决定了该房屋的破坏程度。如果对房屋好或不好的原因感兴趣，可以点击查看其详细信息。该次地震总体破坏的统计结果也可便捷的导出。系统还可生成震害速览报告，计算可能的地震损失和人员伤亡情况。
通过大数据结合现场调查反馈，可以把握研究区抗震薄弱环节和关键环节，有关决策部门可提前采取可行的、有针对性的防震减灾措施，这对于指导城市建设、提高其综合防震减灾能力具有重要意义。
以曾经发生过8.0级地震的三河市为例，现以设定震中位于大厂县夏垫镇为例，说明在设定震级震中条件下房屋破坏的损失评估情况。其它若干情况以沙盘推演方式体现在“三河市震害推演系统”中。
设定在2017年12月01日14时00分58秒发生7级地震，震中位于河北省廊坊市大厂回族自治县夏垫镇附近（东经116.917105°，北纬39.944489°）。震区烈度圈、震区房屋破坏分布情况及房屋破坏占比情况如图1所示。橙红色的点为严重破坏，橙黄的点为中度破坏，黄绿的点为轻微破坏，绿色的点良好。
图1在设定地震下三河市烈度及建筑物破坏程度分布
震害推演系统具有地震损失评估功能，对地震发生后可能造成的房屋破坏、倒塌进行评估。这一系统在松原实施后，经历2018年1月4日4.3级地震和2018年5月28日5.7级地震考验，在震后5分钟内即给出了与实际震害吻合的预测结果，效果很好。
2017年11月的松原市震害预测项目验收和2017年12月的三河市震害预测项目验收会议上，以中国地震局工程力学研究所袁一凡研究员为组长的专家组均指出：“基于汶川地震等大量的震害资料，提出了以震害数据为基础的震害类比预测方法，创新提出了建筑震害预测的“散、脆、偏、单”准则，技术路线正确，切实可行，结果合理”。
（4）发展了钢筋混凝土墩柱抗震设计理论及分析模型
钢筋混凝土墩柱是框架、桥梁结构的关键受力构件，由于墩柱破坏引起的轴向承载力丧失是建筑与桥梁地震倒塌的诱因。为深入揭示建筑与桥梁结构的地震破坏机理并提高其韧性水准，课题组针对墩柱抗震问题开展了专门研究。主要工作及创新为：
发展了不同破坏形态下钢筋混凝土墩柱抗震数值分析模型，显著提高了现有方法对墩柱抗震能力的模拟精度和适用范围。（1）提出了适用于普通及高强钢筋混凝土墩柱的位移相关塑性铰区配箍量计算公式，为弯曲破坏控制的墩柱的抗震变形能力预测及塑性铰区配箍量设计提供了依据。（2）建立了新的墩柱等效塑性铰长度表达公式，将墩柱抗震能力分析的等效塑性铰模型扩展至高强钢筋高强混凝土构件，显著提高了现有规范中等效性铰模型的适用范围。（3）针对钢筋混凝土墩柱弯剪破坏模式判别的困难，提出以弯曲与剪切变形比例判断构件破坏模式的新思路并验证了其可靠性，指出了著名学者Elnashai建立的墩柱弯剪数值分析模型中的疏42
漏，并提出了新的弯剪数值分析建模规则，可对弯曲-弯剪-剪切破坏的墩柱抗震能力进行准确的模拟分析。
将土木工程新材料引入墩柱的抗震设计和震后修复，极大提高了结构的韧性水准。（1）推动了高强箍筋高强混凝土墩柱在地震区的使用。提出采用屈服强度在400-500MPa的高强度约束箍筋提高高强混凝土墩柱抗震能力。完成了相关的试验研究和理论分析工作，表明高强箍筋约束的高强混凝土墩柱具有不低于普通混凝土墩柱的变形能力，且抗剪强度也有显著的提高。上述研究为高强混凝土墩柱在地震区的使用提供了试验和理论依据。（2）为保证震后应急救援工作的迅速开展，在国内率先开展了钢筋混凝土墩柱震后快速修复技术的研究。该技术采用高流动性早强混凝土、外包FRP等新材料，克服了传统的震后修复技术需对混凝土进行较长时间养护的缺点，可在1周内使震后严重损坏的桥梁或房屋结构恢复使用功能。上述研究已完成了相关试验验证并发展了针对此类构件的抗震数值分析模型。（3）针对重大桥梁工程对桥墩混凝土开裂和震后残余位移控制的严格要求，提出竖向配置无粘结预应力筋以减少桥墩地震损伤的控制策略，并完成了相关的试验验证和理论分析。基于摇摆-自复位体系和外置耗能装置，提出一系列用于桥墩地震损伤控制和震后使用功能快速恢复的具体技术手段，并授权国家发明专利6项和实用新型专利2项。有效推动了桥梁地震损伤控制设计的理论发展和工程实践。
上述成果已在国际权威学术期刊《Bulletin of Earthquake Engineering》、《Journal of Bridge Engineering》等发表，入选“F5000-中国精品科技期刊顶尖学术论文”3篇，并授权国家发明专利6项。
（5）开发了用于高层剪力墙结构减隔震设计的钢滞变阻尼器和同时
具有调节地基不均匀变形和减隔震功能的高度可调橡胶隔震支座
实际震害显示在强烈地震作用下，高层建筑因自身阻尼小所以晃动时间长，地震停了而结构仍晃动不止；另外，高层建筑的底层边缘剪力墙容易出现混凝土压溃、钢筋压屈等破坏现象。从理论上看，改变这一不利状况的最直接途径就是增加结构的阻尼。连梁作为高层剪力墙结构抗震的第一道防线，在中震时可以出现损伤并耗能。鉴于此，科研团队发明了耗能效果更好的钢滞变阻尼器镶嵌于传统连梁中间。该阻尼器因巧妙的几何构造，在连梁两端相对位移驱动下，消能片全高度等应力屈服，不但滞回圈饱满，而且避免应力集中，抗疲劳性好。模块化装配，参数调整灵活。高层剪力墙结构安装该阻尼器后，平均可净增加2~3%的阻尼比，耗能效果十分显著。相关技术于2014年获得国家发明专利，2011、2017年分别获得国家实用新型专利。2010年开始在大连尚品天城首次应用，以中国工程院周福霖院士为组长的专家组给予高度评价。应用连梁钢滞变阻尼器，按7度设计的主体结构实际可抗御8度的地震（大连的案例），按8度0.20g设计的主体结构，实际可抗御8度0.30g的地震（甘肃天水的案例），而所增加成本折算到每平方米仅几十元。这一技术陆续在唐山万科金域华府、湖北十堰泰山绿谷、甘肃天水碧桂园等项目中应用。目前推广应用已达约二百万平方米，取得很好的社会效益和经济效益。
2017年9月，山东省滨州市人民政府地震局党组书记、局长李殿祥在参加地市级防震减灾管理干部培训班时，听完郭迅老师关于抗震设计理论和减隔震技术的讲解，致信中国地震局郑国光局长，感觉自己理念上有“颠覆式”的认知，思路上有“逆转性”的突破。郑局长对此作出重要批示：“有体会、有认识、有建议”。关于钢滞变阻尼器的论文“一种新型软钢阻尼器力学性能和减震效果的研究”在《地震工程与工程振动》杂志发表后，已被包括中国工程院周福霖院士在内的众多学者正面引用，累计他引130余次。
对于特别重要的建筑或人员密集的公共建筑（如学校、医院等），在经历强烈地震时不但要求结构自身不倒塌，还需要结构内部的贵重仪器设备完好，这就是基底隔震技术所擅长的。但是如果叠加建设场地不均匀沉陷的风险，比如我国广泛分布的采煤沉陷区、黄土湿陷区、近断层的“避让区”等，仅有隔震功能是不够的。团队发明了高度可调橡胶隔震支座，同时具备隔震和抗御地基不均匀沉陷的功能，相关技术于2010年授权国家发明专利。2003年首次在抚顺市西七路73-1楼房中应用。该建筑为6层砖混结构，4个单元，六千平方米。结构西侧一半受采煤沉陷影响出现南高北低的倾斜，并对东侧一半施加扭矩。经审慎分析后，在结构中间切断，保留东侧一半，卸掉扭矩后，东侧这一半恢复顺直，避免枉拆三千平方米。将西侧一半拆除后，采用高度可调橡胶隔震支座，原地重建。十五年过去了，结构工作正常。2010年，课题组将该支座应用于唐山市开平区东关小学的设计，在靠近断层附近按相关技术标准不能建造房屋的位置上建成了教学楼，突破了现有技术手段无法在近断层区域建造房屋的限制。另外，该新型支座在黄土湿陷区且高地震烈度的甘肃中医药大学宿舍和教学楼、兰州碧桂园国际学校等学校建筑中获得了成功应用，总建筑面积达16万余平米。
（6）汶川特大地震强震动反应谱参数特征及其汉源老县城高烈度异常机理研究
汶川特大地震是新中国成立以来破坏性最强、涉及范围最广、救灾难度最大的一次地震，也是全面检验我国抗震设防应用成果的宝贵实践。对汶川特大地震的经验总结能发现我国抗震规范的不足，反思理论和方法体系的缺陷，推动抗震领域实质性的进步。汶川特大地震首次获取了大量的强震动记录，这为检验我国规范场地设计地震动参数的不足提供数据支撑；汉源老县城高烈度异常，为汶川地震中Ⅵ度区内唯一的Ⅷ度烈度异常区，其实质为局部场地条件对地震动的特殊影响。这两者都是场地地震动确定的主要内容。因此，研究汶川特大地震的地震动反应谱参数特征及汉源老县城高烈度异常机理，对规范修订场地地震动参数、丰富特殊场地的认识具有重要的科学价值和现实意义。
主要内容和创新之处在于：1）提出了基于坐标变换的最小二乘法分段拟合标定反应谱方法，使反应谱标定具有明确的数学意义，减少了以往标定方法的经验成分，为相对客观研究反应谱参数规律提供了科学的基础；2）揭示了不同场地类别、断层距的汶川特大地震加速度反应谱平台值及特征周期的统计特征，为第五代地震动区划图场地抗震设防参数调整提供了重要证据和支持；3）提出了汉源老县城高烈度异常区基岩地震动输入的确定思路，采用定性和定量化数值方法，研究揭示了场地土层、河谷地形、断裂构造和背后山古滑坡对地震动的影响，分析了形成汉源老县城高烈度异常的原因，指出了产生高烈度的地质条件，为定量化解释烈度异常成因提供了有价值的科学思路，丰富了场地抗震地段划分的认识。
研究成果共发表学术论文19篇，主要成果发表在包括本领域权威学术期刊地球物理学报在内的高质量学术刊物上，SCI/EI收录论文3篇。成果自发表以来得到大量引用，据不完全统计，目前他引次数173次，其中被SCI论文引用6次，EI论文引用19次，核心论文引用41次，博士论文引用33次，硕士论文引用72次。引用涉及35个学术期刊，包含SCI检索期刊2个，EI检索期刊10个，如Earthquake Engineering and Engineering Vibration、地球物理学报和土木工程学报等；涉及68家单位（部门），包含同济大学，伊利诺伊大学香槟分校在内的国内外44所高校，中国科学院武汉岩土力学研究所在内的12所科研院所，中国兵器工业北方勘察设计研究院有限公司在内的8家工程设计单位，以及云南省地震局等4家事业单位。
成果提出了具有明确含义的反应谱标定方法，系统给出了我国首个特大地震的地震动参数统计规律，并为高烈度异常的定量化揭示提供了完整的科学思路，具有重要的科学价值和工程意义。反应谱标定方法对较客观提取反应谱特征参数具有重要的应用价值；汶川特大地震反应谱成果为第五代区划场地地震动参数的确定提供了重要的依据；汉源高烈度异常的定量化研究思路对该领域的未来发展具有引领和支撑作用。该成果具有重要的科学价值和明显的社会效益，对提高我国防震减灾能力和培养人才具有重要的支撑作用。
