大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的連續(xù)性破壞試驗(yàn)與倒塌機(jī)制研究

結(jié)構(gòu)體系在非預(yù)期荷載作用下因局部失效而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的現(xiàn)象，得到越來(lái)越多的關(guān)注和研究；但迄今為止的研究成果大多集中于框架結(jié)構(gòu)體系，針對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)體系的連續(xù)性倒塌研究則相對(duì)較少。然而，近年來(lái)諸如德國(guó)巴特賴興哈爾溜冰場(chǎng)屋蓋、鄂爾多斯國(guó)際那達(dá)慕會(huì)場(chǎng)等大型公共建筑的倒塌事件頻現(xiàn)于報(bào)端，使得此類(lèi)大跨度空間結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌研究具有明確的現(xiàn)實(shí)意義與切實(shí)的緊迫性。本項(xiàng)目即從大跨桁架結(jié)構(gòu)和單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兩類(lèi)典型的剛性空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)出發(fā)，以精細(xì)、系統(tǒng)的整體模型倒塌試驗(yàn)為基礎(chǔ)，輔以能真實(shí)反映倒塌過(guò)程與性態(tài)的數(shù)值分析，結(jié)合簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型分析，從機(jī)理上闡釋空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的抗倒塌機(jī)理，并提出桿件敏感性的定量確定方法。本項(xiàng)目研究首先開(kāi)發(fā)及完善了空間結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌研究的試驗(yàn)與數(shù)值分析手段，以實(shí)現(xiàn)局部初始破壞的構(gòu)件初始失效裝置和高頻動(dòng)應(yīng)變、高速動(dòng)位移的采集系統(tǒng)為核心，構(gòu)建了整體模型試驗(yàn)連續(xù)性倒塌試驗(yàn)系統(tǒng)；使用材料多尺度方法構(gòu)建了能考慮斷裂中剪切與拉伸組合貢獻(xiàn)的新的韌性金屬斷裂模型，提出纖維梁?jiǎn)卧S向應(yīng)變斷裂準(zhǔn)則，封裝成子程序用于空間梁桿單元斷裂的模擬，并開(kāi)發(fā)了基于Abaqus子程序的結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌分析過(guò)程控制算法，提高空間結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌有限元分析效率。對(duì)大跨度桁架結(jié)構(gòu)的研究以典型的Warren桁架為對(duì)象，完成了3個(gè)平面桁架結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力連續(xù)性倒塌試驗(yàn)，結(jié)合不同倒塌工況下的響應(yīng)參數(shù)分析，闡釋桁架結(jié)構(gòu)抗倒塌機(jī)制：依初始局部破壞的位置不同，桁架結(jié)構(gòu)通過(guò)下弦的懸鏈線作用或整體的拱效應(yīng)抵抗連續(xù)性倒塌的發(fā)生，跨中位置的所有桿件及緊鄰支座位置下弦桿為倒塌敏感桿件；同時(shí)，基于不平衡力緩慢逐步釋放的思想，開(kāi)發(fā)了一種新型桁架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，其可在多方面顯著地改善整體結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌性能。對(duì)空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的研究以Keiwitt型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為對(duì)象，完成了2個(gè)單層球面網(wǎng)殼模型的動(dòng)力連續(xù)性倒塌試驗(yàn)，結(jié)合有限元分析，指出初始破壞對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的影響更多地體現(xiàn)在局部的內(nèi)力重分布，自由節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)失穩(wěn)是單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的根本原因；基于此，構(gòu)造了自由節(jié)點(diǎn)“穩(wěn)定抗力系數(shù)”公式用于判定桿件的敏感性，并成功應(yīng)用于凱威特型、肋環(huán)型、施威德勒型和聯(lián)方型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的敏感桿件判斷；同時(shí)，提出了提高單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌能力的概念設(shè)計(jì)方法。 2100433B

大跨空間結(jié)構(gòu)在追求質(zhì)量輕的同時(shí)亦一定程度上降低了結(jié)構(gòu)的冗余度，因此一旦在非預(yù)期荷載作用下局部失效，極易引發(fā)多米諾骨牌似的連續(xù)性倒塌?；诖?，本項(xiàng)目以大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為具體研究對(duì)象，構(gòu)建基于多尺度思想的包含動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和碰撞沖擊等非線性力學(xué)特征和構(gòu)件非彈性、構(gòu)件斷裂失效等行為特征的高效數(shù)值算法，以局部失效誘致的節(jié)點(diǎn)/桿件塑性或脆性斷裂為起點(diǎn)，模擬空間結(jié)構(gòu)體系漸進(jìn)破壞、整體失穩(wěn)、直至倒塌的全過(guò)程；結(jié)合具有破斷觸發(fā)裝置和影像測(cè)試系統(tǒng)的空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)精細(xì)模型的倒塌全過(guò)程追蹤試驗(yàn)，分析應(yīng)力瞬態(tài)釋放和內(nèi)力重分布機(jī)制等因素，揭示典型大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)局部失效后的連續(xù)性破壞機(jī)理與倒塌機(jī)制。同時(shí)，構(gòu)造空間結(jié)構(gòu)的能量平衡格式，建立反映其倒塌性能的倒塌譜，從而提出基于關(guān)鍵構(gòu)件和簡(jiǎn)化評(píng)估方法的抗倒塌設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、倒塌控制模式和相應(yīng)的倒塌防止對(duì)策，為大型空間結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)提供必要的手段和技術(shù)支撐。

本項(xiàng)目針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)地震災(zāi)變的核心科學(xué)問(wèn)題，系統(tǒng)地開(kāi)展其在強(qiáng)震下的破壞倒塌機(jī)制與災(zāi)變過(guò)程控制理論與方法研究。從材料、構(gòu)件、子結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)整體多個(gè)層次上研究強(qiáng)震下高層建筑結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)建模理論和高效的計(jì)算分析方法，考慮多個(gè)強(qiáng)非線性因素的影響，實(shí)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)由構(gòu)件損傷、局部破壞直至倒塌的動(dòng)力災(zāi)變過(guò)程模擬，建立強(qiáng)震下高層建筑構(gòu)件失效破壞準(zhǔn)則及整體倒塌破壞準(zhǔn)則，研究構(gòu)件損傷、局部破壞與整體倒塌的內(nèi)在聯(lián)系，揭示高層建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的破壞倒塌機(jī)制；深入研究高層建筑結(jié)構(gòu)的地震失效模式，發(fā)展高層建筑結(jié)構(gòu)失效模式優(yōu)化及采取減震控制措施的地震災(zāi)變過(guò)程控制理論和方法，建立高層建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下提高整體抗倒塌能力的控制措施，為提升高層建筑的抗震能力提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，本項(xiàng)目的研究具有重大的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 2100433B

隨著鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)以及民用建筑中的應(yīng)用日益廣泛，在恐怖主義爆炸襲擊頻繁的今天，研究鋼結(jié)構(gòu)建筑，特別是重要建筑，在偶然荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及抗倒塌性能，具有重大意義。本項(xiàng)目主要針對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)在中柱失效工況下的魯棒性了研究。利用試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法，考察了無(wú)樓板以及帶樓板三維剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌性能，并分析兩大力學(xué)機(jī)制，即彎曲效應(yīng)以及懸鏈線效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的貢獻(xiàn)；在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用能量法估算結(jié)構(gòu)體系在中柱突然失效后的動(dòng)力響應(yīng)。通過(guò)對(duì)比分析，揭示了樓板體系對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌性能的影響，并分析了混凝土強(qiáng)度、樓板厚度以及配筋率等參數(shù)對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌性能的影響。研究結(jié)果表明，剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)具有良好的延性以及抗倒塌性能；樓板對(duì)與結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能以及結(jié)構(gòu)體系中抗倒塌力學(xué)機(jī)制的形成和發(fā)展都有著十分重要的影響；樓板體系可以提高結(jié)構(gòu)體系的承載力，但是結(jié)構(gòu)的延性有所降低；不帶樓板和帶樓板的試驗(yàn)?zāi)Ｐ途粫?huì)在中柱突然失效后發(fā)生連續(xù)性倒塌；美國(guó)國(guó)防部頒布的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范（UFC 4-023-03）所給出的計(jì)算動(dòng)力放大系數(shù)的方法不夠準(zhǔn)確也不夠保守。在以上研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了能夠提高鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌性能的加固方法，即梁柱節(jié)點(diǎn)附近鋼梁下翼緣加蓋板；利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方法的有效性并討論了該方法的經(jīng)濟(jì)性?？傊?，本研究對(duì)闡明鋼框架結(jié)構(gòu)在失效工況下的倒塌機(jī)理，從而進(jìn)一步發(fā)展鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌分析、設(shè)計(jì)與加固方法具有理論意義，指導(dǎo)作用和實(shí)用價(jià)值。 2100433B

主要針對(duì)樓板對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)魯棒性的影響進(jìn)行了研究。本項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容以及意義包括：（1）進(jìn)行了包括樓板、梁和柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼框架子結(jié)構(gòu)倒塌試驗(yàn)，并且令該試驗(yàn)發(fā)展成為今后鋼框架結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌數(shù)值計(jì)算模型驗(yàn)證的Benchmark模型；（2）建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娜S精細(xì)化計(jì)算模型，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證以確保該計(jì)算模型的精確度和可靠性；（3）利用已建立的計(jì)算模型，以非線性分析為主要研究方法，從微觀角度研究樓板體系在鋼框架結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌中所起的作用，特別是組合效應(yīng)和薄膜效應(yīng)，并以此為基礎(chǔ)建立適用于設(shè)計(jì)工作的簡(jiǎn)化樓板計(jì)算模型；（4）提出利用FRP提高樓板的拉結(jié)強(qiáng)度從而提高現(xiàn)有鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌能力的加固方法，并利用試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法驗(yàn)證其可行性?？傊?，本研究對(duì)厘清鋼框架結(jié)構(gòu)在失柱情況下的倒塌機(jī)理，從而進(jìn)一步發(fā)展鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌分析、設(shè)計(jì)與加固方法具有理論意義，指導(dǎo)作用和實(shí)用價(jià)值。