鋼框架-組合樓板結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的三維整體效應(yīng)研究中文摘要

“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)。

常規(guī)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員一般只考慮常規(guī)荷載下的結(jié)構(gòu)承載力和安全性，結(jié)構(gòu)遭受偶然荷載時(shí)的抗連續(xù)倒塌承載力設(shè)計(jì)理論還有待完善。 “911”事件中世貿(mào)大廈的連續(xù)倒塌掀起多高層建筑結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌研究的熱潮。課題組完成了4個(gè)鋼框架-組合樓板結(jié)構(gòu)構(gòu)件在中柱失效工況下的1/3縮尺模型實(shí)驗(yàn)研究，研究參數(shù)包括樓板長(zhǎng)寬比、組合作用強(qiáng)弱和樓板邊界條件，主梁與柱采用平齊式端板節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)采用腹板雙角鋼節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，樓板長(zhǎng)寬比為1:1的構(gòu)件承載比長(zhǎng)寬比為1:1.5的高，但是變形能力弱；組合作用強(qiáng)弱不影響最大承載力，較弱的組合作用會(huì)增加結(jié)構(gòu)延性，有利于大變形階段荷載的增長(zhǎng)；樓板邊界條件強(qiáng)，利于梁懸鏈線效應(yīng)和樓板受拉薄膜效應(yīng)的形成。此外，通過(guò)深入分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，課題組明確了三維樓板結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)理。在中柱失效工況下，試件的整個(gè)破壞過(guò)程大致可以分為三個(gè)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(diǎn)破壞以后進(jìn)入第二階段，此時(shí)原本雙跨主梁上承擔(dān)的部分荷載將傳遞給雙跨次梁承擔(dān)，雙跨次梁抗彎及懸鏈線機(jī)制開(kāi)始發(fā)揮較大作用。第三階段結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生很大變形，樓板形成了較強(qiáng)的受拉膜效應(yīng)，未破壞的部分次梁也形成了懸鏈線效應(yīng)，二者共同抵抗外荷載。然后，課題組進(jìn)行了端板節(jié)點(diǎn)、雙角鋼節(jié)點(diǎn)的組件實(shí)驗(yàn)和抗剪栓釘推出實(shí)驗(yàn)，基于組件實(shí)驗(yàn)建立了鋼框架-組合樓板結(jié)構(gòu)的有限與模型，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)論，還得出增加壓型鋼板厚度能提高結(jié)構(gòu)抗倒塌承載力；增加抗剪栓釘數(shù)量能小幅度地提高結(jié)構(gòu)抗倒塌承載力；提高節(jié)點(diǎn)延性能大幅提高結(jié)構(gòu)抗倒塌承載力；增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)承載力對(duì)結(jié)構(gòu)抗倒塌承載力沒(méi)有太大影響。通過(guò)有限元非線性動(dòng)力分析得出，DOD中有關(guān)組合平面框架抗連續(xù)倒塌承載力動(dòng)力放大系數(shù)的規(guī)定偏不安全。最后，課題組在實(shí)驗(yàn)研究和有限元分析的基礎(chǔ)上，提出了易于工程實(shí)踐使用的鋼框架組合樓板結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌承載力的雙折線理論模型，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果吻合良好。 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

框架結(jié)構(gòu)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(yīng)變率效應(yīng)、梁柱節(jié)點(diǎn)剛度和塑性變形能力、混凝土板內(nèi)鋼筋以及組合樓板中壓型鋼板拉結(jié)作用等多種因素的影響。目前已有的相關(guān)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(diǎn)不會(huì)先于構(gòu)件破壞，分析局部柱失效后剩余結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌分析中梁柱節(jié)點(diǎn)的影響尚缺乏深入研究。本項(xiàng)目在已有研究基礎(chǔ)上，對(duì)四種典型的鋼框架節(jié)點(diǎn)的抗連續(xù)倒塌性能以及應(yīng)變率效應(yīng)和組合樓板對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響開(kāi)展了深入研究。 本項(xiàng)目開(kāi)展了Q235、Q345、Q420鋼材不同應(yīng)變率下的單軸拉伸試驗(yàn)，并通過(guò)試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方式獲得了鋼材在不同應(yīng)變率下的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，提出了能準(zhǔn)確反映鋼材應(yīng)變率效應(yīng)和應(yīng)變硬化效應(yīng)的修正Johnson-cook模型和修正H/V-R模型；利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的精細(xì)化有限元模擬方法，建模分析了典型鋼框架節(jié)點(diǎn)的梁柱子結(jié)構(gòu)在連續(xù)倒塌中的失效過(guò)程，提出并驗(yàn)證了其簡(jiǎn)化數(shù)值模型；采用鋼材動(dòng)本構(gòu)模型的研究成果，研究了應(yīng)變率在典型鋼框架節(jié)點(diǎn)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(kāi)展了考慮樓板作用以及四種節(jié)點(diǎn)形式的八個(gè)梁柱子結(jié)構(gòu)足尺靜力加載試驗(yàn)。 2100433B

框架結(jié)構(gòu)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(yīng)變率效應(yīng)、梁柱節(jié)點(diǎn)剛度和塑性變形能力、混凝土板內(nèi)鋼筋以及組合樓板中壓型鋼板拉結(jié)作用等多種因素的影響。目前相關(guān)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(diǎn)不會(huì)先于構(gòu)件破壞，分析局部柱失效后剩余結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌分析中梁柱節(jié)點(diǎn)的影響尚缺乏深入研究。申請(qǐng)者擬建立考慮節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)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(diǎn)在拉力和彎矩共同作用下的微觀破壞過(guò)程和框架結(jié)構(gòu)整體受力特征；分析不同節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、樓板厚度、樓板內(nèi)鋼筋和壓型鋼板等對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)性能的影響；通過(guò)不同加載速率研究應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)性能影響；通過(guò)不同加載速率下無(wú)樓板和有樓板的梁柱節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)驗(yàn)證多尺度數(shù)值模型；建立考慮梁柱節(jié)點(diǎn)剛度和樓板組合作用的簡(jiǎn)化桿系分析模型并提出設(shè)計(jì)建議。