鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌三維仿真研究

針對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌三維仿真研究及其設(shè)計(jì)理論中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，本項(xiàng)目研究首先自主開(kāi)發(fā)研制了基于三維實(shí)體退化虛擬層合單元理論的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌三維仿真分析方法及其非線(xiàn)性有限元分析程序，并進(jìn)行了適用性研究，該方法力學(xué)概念簡(jiǎn)潔明確，普遍適用性強(qiáng)。之后，應(yīng)用所編制的程序，進(jìn)行了多因素、多工況的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌三維仿真分析研究：仿真分析中按實(shí)際情況對(duì)縱、橫向鋼筋（箍筋）、樓板和填充墻體進(jìn)行三維精細(xì)化模擬，引入分布裂縫模型模擬裂縫發(fā)展，并考慮梁板柱空間協(xié)同工作，重點(diǎn)分析探討以下因素：樓板參數(shù)變化、抗震設(shè)計(jì)參數(shù)變化、結(jié)構(gòu)的平面、立面布局和填充墻體的數(shù)量及布局對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌機(jī)理及抗連續(xù)倒塌性能的影響。通過(guò)上述分析，獲得了考慮梁板柱空間協(xié)同工作（三維精細(xì)化有限元仿真模擬），各個(gè)分析模型的空間受力特征（應(yīng)力云圖或等值線(xiàn)圖、位移云圖或等值線(xiàn)圖）、框架結(jié)構(gòu)或填充墻空間破壞形態(tài)、結(jié)構(gòu)荷載—位移曲線(xiàn)、裂縫分布及發(fā)展情況、極限承載力等全過(guò)程的結(jié)構(gòu)承載性能和特征，上述仿真分析（即結(jié)構(gòu)倒塌數(shù)值仿真試驗(yàn)）結(jié)果對(duì)于探索考慮梁板柱空間協(xié)同工作的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系抗連續(xù)性倒塌性能具有重要學(xué)術(shù)理論價(jià)值，可為相關(guān)研究提供借鑒和參考。最后，借助上述多因素、多工況的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌三維仿真分析研究成果，通過(guò)對(duì)考慮梁板柱空間協(xié)同工作的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌機(jī)理、抗連續(xù)倒塌性能的總結(jié)及相關(guān)對(duì)策和抗連續(xù)倒塌的性能設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)的探討，本項(xiàng)目獲得了一些重要的研究結(jié)論，提出了相關(guān)設(shè)計(jì)建議，可為完善鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系抗連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)理論提供重要借鑒和參考。 2100433B

目前,鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌三維仿真研究尚存不足。本項(xiàng)目研究擬基于三維實(shí)體退化虛擬層合單元理論，探索一種具有普遍適用性、力學(xué)概念簡(jiǎn)潔明確、有效的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌三維仿真分析方法，并籍此對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌的機(jī)理、抗連續(xù)倒塌性能及對(duì)策進(jìn)行深入研究，逐步形成鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系抗連續(xù)倒塌的性能化設(shè)計(jì)指標(biāo)，以期進(jìn)一步完善鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系抗連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)理論。

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(lài)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A(yíng)baqus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(xiàn)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

內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書(shū)介紹多高層建筑鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌性能的試驗(yàn)和理論研究成果，闡明多高層建筑鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌分析與設(shè)計(jì)方法。全書(shū)共分7章。第1章介紹國(guó)內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的研究、設(shè)計(jì)方法與規(guī)范概況；第2章和第3章介紹鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的梁懸鏈線(xiàn)效應(yīng)、空腹效應(yīng)和樓板薄膜效應(yīng)；后4章介紹爆炸和火災(zāi)作用下鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的性能與分析設(shè)計(jì)方法，包括鋼框架結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的模式及影響因素、鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的魯棒性量化指標(biāo)，以及鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的實(shí)用計(jì)算和設(shè)計(jì)方法。 2100433B

“911”事件世貿(mào)大廈發(fā)生連續(xù)倒塌后，多高層建筑結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌研究已成為近期建筑結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)，但是現(xiàn)階段抗連續(xù)倒塌研究中，框架-樓板三維整體結(jié)構(gòu)體系研究成果有限，尤其是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系，考慮三維整體效應(yīng)的抗連續(xù)倒塌力學(xué)性能與計(jì)算方法研究有待進(jìn)一步深入。申請(qǐng)人擬以鋼框架-組合樓板結(jié)構(gòu)體系在中間柱失效后的三維整體效應(yīng)研究為切入點(diǎn)，以“試驗(yàn)研究—有限元模擬及影響參數(shù)分析—理論計(jì)算模型探索”的研究方法為手段，探索一種位移控制均布荷載下抗連續(xù)倒塌的三維整體效應(yīng)試驗(yàn)方法，并運(yùn)用能量原理獲得考慮動(dòng)力效應(yīng)的偽靜態(tài)三維結(jié)構(gòu)響應(yīng)，揭示三維整體效應(yīng)的力學(xué)性能和傳力路徑，闡明三維整體效應(yīng)中鋼框架懸鏈線(xiàn)效應(yīng)與組合樓板受拉薄膜效應(yīng)等傳力機(jī)制，提出一種考慮三維整體效應(yīng)的鋼框架-組合樓板結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌理論計(jì)算方法。項(xiàng)目研究成果可為提高我國(guó)多高層鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)建筑抗連續(xù)倒塌性能和編制相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范提供理論依據(jù)。