鋼框架-組合樓板結構抗連續(xù)倒塌的三維整體效應研究

常規(guī)設計中，設計人員一般只考慮常規(guī)荷載下的結構承載力和安全性，結構遭受偶然荷載時的抗連續(xù)倒塌承載力設計理論還有待完善。 “911”事件中世貿大廈的連續(xù)倒塌掀起多高層建筑結構的抗連續(xù)倒塌研究的熱潮。課題組完成了4個鋼框架-組合樓板結構構件在中柱失效工況下的1/3縮尺模型實驗研究，研究參數(shù)包括樓板長寬比、組合作用強弱和樓板邊界條件，主梁與柱采用平齊式端板節(jié)點，其余節(jié)點采用腹板雙角鋼節(jié)點。實驗結果表明，樓板長寬比為1:1的構件承載比長寬比為1:1.5的高，但是變形能力弱；組合作用強弱不影響最大承載力，較弱的組合作用會增加結構延性，有利于大變形階段荷載的增長；樓板邊界條件強，利于梁懸鏈線效應和樓板受拉薄膜效應的形成。此外，通過深入分析實驗數(shù)據，課題組明確了三維樓板結構的傳力機理。在中柱失效工況下，試件的整個破壞過程大致可以分為三個階段。第一階段主要是雙跨主梁的受壓拱作用和雙跨主梁的抗彎作用抵抗豎向荷載。主梁節(jié)點破壞以后進入第二階段，此時原本雙跨主梁上承擔的部分荷載將傳遞給雙跨次梁承擔，雙跨次梁抗彎及懸鏈線機制開始發(fā)揮較大作用。第三階段結構已經產生很大變形，樓板形成了較強的受拉膜效應，未破壞的部分次梁也形成了懸鏈線效應，二者共同抵抗外荷載。然后，課題組進行了端板節(jié)點、雙角鋼節(jié)點的組件實驗和抗剪栓釘推出實驗，基于組件實驗建立了鋼框架-組合樓板結構的有限與模型，驗證了實驗結論，還得出增加壓型鋼板厚度能提高結構抗倒塌承載力；增加抗剪栓釘數(shù)量能小幅度地提高結構抗倒塌承載力；提高節(jié)點延性能大幅提高結構抗倒塌承載力；增強節(jié)點承載力對結構抗倒塌承載力沒有太大影響。通過有限元非線性動力分析得出，DOD中有關組合平面框架抗連續(xù)倒塌承載力動力放大系數(shù)的規(guī)定偏不安全。最后，課題組在實驗研究和有限元分析的基礎上，提出了易于工程實踐使用的鋼框架組合樓板結構抗連續(xù)倒塌承載力的雙折線理論模型，與實驗結果和有限元分析結果吻合良好。 2100433B

“911”事件世貿大廈發(fā)生連續(xù)倒塌后，多高層建筑結構的抗連續(xù)倒塌研究已成為近期建筑結構研究的熱點，但是現(xiàn)階段抗連續(xù)倒塌研究中，框架-樓板三維整體結構體系研究成果有限，尤其是鋼-混凝土組合結構體系，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-組合樓板結構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)三維結構響應，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-組合樓板結構抗連續(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-混凝土組合結構建筑抗連續(xù)倒塌性能和編制相關設計規(guī)范提供理論依據。

內容簡介

本書介紹多高層建筑鋼框架結構抗連續(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構抗連續(xù)性倒塌分析與設計方法。全書共分7章。第1章介紹國內外建筑結構抗連續(xù)性倒塌的研究、設計方法與規(guī)范概況；第2章和第3章介紹鋼框架結構抗連續(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構抗連續(xù)性倒塌的性能與分析設計方法，包括鋼框架結構連續(xù)性倒塌的模式及影響因素、鋼框架結構抗連續(xù)性倒塌的魯棒性量化指標，以及鋼框架結構抗連續(xù)性倒塌的實用計算和設計方法。 2100433B

框架結構抗連續(xù)倒塌能力主要取決于失效柱上方鋼梁能否發(fā)揮懸鏈作用跨越局部破壞區(qū)域，這種跨越能力受材料應變率效應、梁柱節(jié)點剛度和塑性變形能力、混凝土板內鋼筋以及組合樓板中壓型鋼板拉結作用等多種因素的影響。目前已有的相關研究成果主要集中在采用備用荷載路徑法、假定梁柱節(jié)點不會先于構件破壞，分析局部柱失效后剩余結構的反應，對整體結構抗連續(xù)倒塌分析中梁柱節(jié)點的影響尚缺乏深入研究。本項目在已有研究基礎上，對四種典型的鋼框架節(jié)點的抗連續(xù)倒塌性能以及應變率效應和組合樓板對結構抗連續(xù)倒塌性能的影響開展了深入研究。 本項目開展了Q235、Q345、Q420鋼材不同應變率下的單軸拉伸試驗，并通過試驗與仿真相結合的方式獲得了鋼材在不同應變率下的真實應力應變曲線，提出了能準確反映鋼材應變率效應和應變硬化效應的修正Johnson-cook模型和修正H/V-R模型；利用經過驗證的精細化有限元模擬方法，建模分析了典型鋼框架節(jié)點的梁柱子結構在連續(xù)倒塌中的失效過程，提出并驗證了其簡化數(shù)值模型；采用鋼材動本構模型的研究成果，研究了應變率在典型鋼框架節(jié)點連續(xù)倒塌中的影響；完成了組合樓板各成分的抗連續(xù)倒塌性能的參數(shù)化分析；開展了考慮樓板作用以及四種節(jié)點形式的八個梁柱子結構足尺靜力加載試驗。 2100433B

框架結構抗連續(xù)倒塌能力主要取決于失效柱上方鋼梁能否發(fā)揮懸鏈作用跨越局部破壞區(qū)域，這種跨越能力受材料應變率效應、梁柱節(jié)點剛度和塑性變形能力、混凝土板內鋼筋以及組合樓板中壓型鋼板拉結作用等多種因素的影響。目前相關研究成果主要集中在采用備用荷載路徑法、假定梁柱節(jié)點不會先于構件破壞，分析局部柱失效后剩余結構的反應，對整體結構抗連續(xù)倒塌分析中梁柱節(jié)點的影響尚缺乏深入研究。申請者擬建立考慮節(jié)點構造細節(jié)和樓板作用的多尺度數(shù)值分析模型，研究倒塌分析中梁柱節(jié)點在拉力和彎矩共同作用下的微觀破壞過程和框架結構整體受力特征；分析不同節(jié)點構造、樓板厚度、樓板內鋼筋和壓型鋼板等對梁柱節(jié)點性能的影響；通過不同加載速率研究應變率效應對梁柱節(jié)點性能影響；通過不同加載速率下無樓板和有樓板的梁柱節(jié)點承載力試驗驗證多尺度數(shù)值模型；建立考慮梁柱節(jié)點剛度和樓板組合作用的簡化桿系分析模型并提出設計建議。