地震造成的建筑物倒塌是引起重大人员伤亡的主要原因,对结构进行抗倒塌设计意味着生命的拯救。除自然灾害外,结构倒塌也可能是由疏忽大意或故意破坏造成的。另一方面,只有少数人能够负担得起建筑进行防倒塌设计的昂贵成本。因此,采用经济、实用和有效的方法对结构进行防倒塌设计是十分必要的。地震作用下钢结构的安全储备是可量化的,然而,将其融合到结构设计中仍然是一个亟待解决的问题。本论文尝试进行支撑体系的优化研究,并进一步将安全储备的概念拓展至连续倒塌领域,这个过程提供了理解需求能力比(DCR)自身以及其与结构构件行为状态之间相互关系的全新视角。该研究特别是将安全储备的概念融入到支撑体系这个过程,对钢结构的设计和加固具有重要意义,使得支撑体系由侧向荷载耗能构件的初始角色成为防止结构倒塌的主要结构构件。本论文的研究内容如下:1)分析了对称布置的中心支撑钢框架的地震倒塌安全储备。研究表明,支撑的布置方式和截面形式决定着支撑提高结构安全性的效率。从数值算例来看,最佳的加固方案不能兼得最高的结构安全性和最低的造价,而是在安全性和造价之间取得平衡。结合选取最优加固方案的三个参数来看,在给定结构的最佳加固方案中性能水平和成本率往往和所期望的倒塌安全储备系数(CMR)相匹配。也就是说,目标结构较高的成本率和较高的结构性能水平会产生较高的CMR。2)提出了一种将基结构优化策略与多单元移除概率分析相结合的新方法,以提高中心支撑钢结构的安全设计。此方法将支撑的位置和截面形式作为变量,根据所选安全指标对结构进行优化设计。算例结果表明,采用对称布置的支撑钢结构比非对称布置方式的更为安全,并且全支撑结构的安全指标并不高。针对钢结构抗地震倒塌安全,该方法可以用作确定支撑体系最佳布置方式的一种有用工具。3)针对柱子突然失效的工况,提出了一种基于竖向倒塌安全储备系数DCMRV)、DCR和鲁棒性(R)的结构抗倒塌能力的可量化方法。整个研究中建立了 18个原型结构,并进行了 119种柱子移除方案的对比研究。从回归分析结果来看,DCR对CMRV的影响取决于柱子拆除后的结构极限承载力(1)。CMRV计算表达式通过竖向-水平比(V/H)和考虑的最大竖向地震来考虑地震的影响,并利用结构在突然移除柱子下的整体和局部行为考虑了重力荷载的影响。在连续倒塌设计中使用本文改进的DCR值,可以降低结构成本同时保持结构强度。通过对CMRV的分析发现,竖向地震动作用下,随着V/H值的增加,结构发生连续倒塌的可能性在变大。4)基于支撑利用率和V/H比,提出了能够同时考虑水平作用和竖向荷载影响的防屈曲支撑抗倒塌设计方法。在本研究中,DCR临界值被用作判断柱是否移除的标准。结果表明,钢结构加固的最佳途径是沿结构中部布置支撑体系而不是沿两侧布置;支撑框架的整体性对失效结构在竖向荷载作用下的行为具有重要影响,如果有支撑跨的柱子被移除,结构将随即出现大变形。提出的支撑设计方法将支撑体系的作用从保护结构免受侧向荷载破坏拓展到了防止结构发生竖向倒塌。