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結(jié)題摘要

針對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌三維仿真研究及其設計理論中的關鍵技術問題，本項目研究首先自主開發(fā)研制了基于三維實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性有限元分析程序，并進行了適用性研究，該方法力學概念簡潔明確，普遍適用性強。之后，應用所編制的程序，進行了多因素、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：仿真分析中按實際情況對縱、橫向鋼筋（箍筋）、樓板和填充墻體進行三維精細化模擬，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，重點分析探討以下因素：樓板參數(shù)變化、抗震設計參數(shù)變化、結(jié)構(gòu)的平面、立面布局和填充墻體的數(shù)量及布局對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌機理及抗連續(xù)倒塌性能的影響。通過上述分析，獲得了考慮梁板柱空間協(xié)同工作（三維精細化有限元仿真模擬），各個分析模型的空間受力特征（應力云圖或等值線圖、位移云圖或等值線圖）、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、裂縫分布及發(fā)展情況、極限承載力等全過程的結(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）結(jié)果對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術理論價值，可為相關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，通過對考慮梁板柱空間協(xié)同工作的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌機理、抗連續(xù)倒塌性能的總結(jié)及相關對策和抗連續(xù)倒塌的性能設計關鍵參數(shù)的探討，本項目獲得了一些重要的研究結(jié)論，提出了相關設計建議，可為完善鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系抗連續(xù)倒塌的設計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。本項目研究擬基于三維實體退化虛擬層合單元理論，探索一種具有普遍適用性、力學概念簡潔明確、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，并籍此對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系連續(xù)性倒塌的機理、抗連續(xù)倒塌性能及對策進行深入研究，逐步形成鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系抗連續(xù)倒塌的性能化設計指標，以期進一步完善鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系抗連續(xù)倒塌的設計理論。

結(jié)構(gòu)體系在非預期荷載作用下因局部失效而導致整體結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的現(xiàn)象，得到越來越多的關注和研究；但迄今為止的研究成果大多集中于框架結(jié)構(gòu)體系，針對大跨度空間結(jié)構(gòu)體系的連續(xù)性倒塌研究則相對較少。然而，近年來諸如德國巴特賴興哈爾溜冰場屋蓋、鄂爾多斯國際那達慕會場等大型公共建筑的倒塌事件頻現(xiàn)于報端，使得此類大跨度空間結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌研究具有明確的現(xiàn)實意義與切實的緊迫性。本項目即從大跨桁架結(jié)構(gòu)和單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兩類典型的剛性空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)出發(fā)，以精細、系統(tǒng)的整體模型倒塌試驗為基礎，輔以能真實反映倒塌過程與性態(tài)的數(shù)值分析，結(jié)合簡化的數(shù)學模型分析，從機理上闡釋空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的抗倒塌機理，并提出桿件敏感性的定量確定方法。本項目研究首先開發(fā)及完善了空間結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌研究的試驗與數(shù)值分析手段，以實現(xiàn)局部初始破壞的構(gòu)件初始失效裝置和高頻動應變、高速動位移的采集系統(tǒng)為核心，構(gòu)建了整體模型試驗連續(xù)性倒塌試驗系統(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的新的韌性金屬斷裂模型，提出纖維梁單元軸向應變斷裂準則，封裝成子程序用于空間梁桿單元斷裂的模擬，并開發(fā)了基于Abaqus子程序的結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌分析過程控制算法，提高空間結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌有限元分析效率。對大跨度桁架結(jié)構(gòu)的研究以典型的Warren桁架為對象，完成了3個平面桁架結(jié)構(gòu)模型的動力連續(xù)性倒塌試驗，結(jié)合不同倒塌工況下的響應參數(shù)分析，闡釋桁架結(jié)構(gòu)抗倒塌機制：依初始局部破壞的位置不同，桁架結(jié)構(gòu)通過下弦的懸鏈線作用或整體的拱效應抵抗連續(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，基于不平衡力緩慢逐步釋放的思想，開發(fā)了一種新型桁架節(jié)點構(gòu)造，并經(jīng)試驗驗證，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)為對象，完成了2個單層球面網(wǎng)殼模型的動力連續(xù)性倒塌試驗，結(jié)合有限元分析，指出初始破壞對網(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)點的點失穩(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“穩(wěn)定抗力系數(shù)”公式用于判定桿件的敏感性，并成功應用于凱威特型、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，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計方法。 2100433B

內(nèi)容簡介

本書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)性倒塌分析與設計方法。全書共分7章。第1章介紹國內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的研究、設計方法與規(guī)范概況；第2章和第3章介紹鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的梁懸鏈線效應、空腹效應和樓板薄膜效應；后4章介紹爆炸和火災作用下鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的性能與分析設計方法，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，以及鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的實用計算和設計方法。 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，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，考慮三維整體效應的抗連續(xù)倒塌力學性能與計算方法研究有待進一步深入。申請人擬以鋼框架-組合樓板結(jié)構(gòu)體系在中間柱失效后的三維整體效應研究為切入點，以“試驗研究—有限元模擬及影響參數(shù)分析—理論計算模型探索”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試驗方法，并運用能量原理獲得考慮動力效應的偽靜態(tài)三維結(jié)構(gòu)響應，揭示三維整體效應的力學性能和傳力路徑，闡明三維整體效應中鋼框架懸鏈線效應與組合樓板受拉薄膜效應等傳力機制，提出一種考慮三維整體效應的鋼框架-組合樓板結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌理論計算方法。項目研究成果可為提高我國多高層鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)建筑抗連續(xù)倒塌性能和編制相關設計規(guī)范提供理論依據(jù)。