RC框架結(jié)構(gòu)水平向連續(xù)倒塌試驗(yàn)和設(shè)計(jì)理論研究

建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌造成嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)損失。連續(xù)倒塌可以沿結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的豎向或水平向傳播或是同時(shí)在兩個(gè)方向傳播，水平向連續(xù)倒塌通常由豎向連續(xù)倒塌誘發(fā)且與之共同作用。目前科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)集中解決最基本的豎向連續(xù)倒塌問(wèn)題，尚未對(duì)水平連續(xù)倒塌問(wèn)題展開研究。但是水平向連續(xù)倒塌會(huì)引起破壞在更大范圍內(nèi)傳播，進(jìn)而造成更加嚴(yán)重的損失。本項(xiàng)目針對(duì)RC 框架結(jié)構(gòu)水平向連續(xù)倒塌問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬的方法，對(duì)其倒塌機(jī)理、結(jié)構(gòu)倒塌抗力需求以及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要研究工作如下： (1)設(shè)計(jì)開展了6個(gè)不同邊界和受力條件的RC 框架子結(jié)構(gòu)試件的水平向連續(xù)倒塌試驗(yàn)。通過(guò)分析試件在加載過(guò)程中的倒塌抗力、材料應(yīng)變和構(gòu)件損傷的發(fā)展，研究了RC 框架結(jié)構(gòu)水平向連續(xù)倒塌的破壞機(jī)理。研究表明RC框架水平連續(xù)倒塌的破壞模式是梁兩端和柱底端發(fā)生嚴(yán)重的塑性破壞，框架形成機(jī)構(gòu)而發(fā)生局部倒塌破壞，進(jìn)而觸發(fā)水平向相鄰結(jié)構(gòu)部分的后繼破壞和倒塌傳播?？蚣苤目箓?cè)剛度和承載力是影響RC框架水平連續(xù)倒塌的關(guān)鍵因素。當(dāng)多跨框架共同抵抗水平向倒塌時(shí)，桁架拱效應(yīng)可能導(dǎo)致框架柱的受力發(fā)展不均更易發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌易損性變大。 (2)建立了基于能量的RC框架連續(xù)倒塌抗力需求分析的理論框架，能夠考慮非線性動(dòng)力效應(yīng)對(duì)連續(xù)倒塌過(guò)程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響?；谠摲椒?，分別建立了RC框架在小變形梁機(jī)制和大變形懸鏈線機(jī)制下的抗力需求計(jì)算公式。采用大量數(shù)值算例對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。 (3) 建立了RC結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析的數(shù)值模型，并基于這些模型開展了典型RC結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的連續(xù)倒塌機(jī)理分析?；谖⒂^受力分析和變形協(xié)調(diào)條件，建立了考慮梁板組合作用的RC框架連續(xù)倒塌抗力的工程計(jì)算方法。提出了一種基于倒塌率的建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌易損性評(píng)價(jià)方法，分析了抗震設(shè)計(jì)和抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)倒塌易損性的影響。這些成果可為RC框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌工程設(shè)計(jì)提供重要的參考。 2100433B

現(xiàn)有RC框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌研究和設(shè)計(jì)方法主要針對(duì)豎向連續(xù)倒塌模式，但因豎向構(gòu)件水平向抗側(cè)能力不足而引起的水平向連續(xù)倒塌模式會(huì)引起破壞在更大范圍內(nèi)傳播，然而目前國(guó)內(nèi)外還未針對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)水平向連續(xù)倒塌問(wèn)題展開研究。本項(xiàng)目針對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)水平向連續(xù)倒塌問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬的方法，對(duì)其倒塌機(jī)制、豎向構(gòu)件的側(cè)向抗力和變形能力需求、以及水平向抗連續(xù)倒塌措施進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，研究?jī)?nèi)容包括：1）通過(guò)RC框架子結(jié)構(gòu)的水平向連續(xù)倒塌試驗(yàn)，研究RC框架結(jié)構(gòu)水平向連續(xù)倒塌的破壞機(jī)理及其合理的抗水平連續(xù)倒塌機(jī)制；2）研究關(guān)鍵參數(shù)對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)抗水平向連續(xù)倒塌機(jī)制的影響；3）基于能量方法建立水平連續(xù)倒塌抗力和變形需求的理論模型；4）基于試驗(yàn)和理論研究，提出抗水平向連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)方法及其相關(guān)構(gòu)造措施。通過(guò)本項(xiàng)目研究，揭示RC框架結(jié)構(gòu)水平向連續(xù)倒塌的機(jī)理，進(jìn)一步完善RC框架抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)理論和方法。

早期設(shè)計(jì)師在進(jìn)行產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用正向設(shè)計(jì)的方法；這是一個(gè)從概念設(shè)計(jì)起步到CAD建模、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過(guò)程。

產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的正向設(shè)計(jì)一般流程： 概念設(shè)計(jì) →CAD/CAM系統(tǒng) →制造系統(tǒng)→ 新產(chǎn)品。

但對(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)品，正向設(shè)計(jì)的方法顯示出了它的不足，設(shè)計(jì)過(guò)程難度系數(shù)大、周期較長(zhǎng)、成本高、產(chǎn)品研制開發(fā)難。由于設(shè)計(jì)師無(wú)法完全預(yù)估產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)什么樣的狀況，如果每次因?yàn)橐恍┚植康膯?wèn)題而推倒整個(gè)產(chǎn)品重來(lái)，不管從時(shí)間上還是從成本上都是不可接受的。如果有方法能改正在正向設(shè)計(jì)過(guò)程中所產(chǎn)生的局部問(wèn)題自然是好的，正是在這樣的背景下，自然發(fā)展并形成了逆向設(shè)計(jì)的方法。

逆向設(shè)計(jì)通常是根據(jù)正向設(shè)計(jì)概念所產(chǎn)生的產(chǎn)品原始模型或者已有產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行改良，通過(guò)對(duì)產(chǎn)生問(wèn)題的模型進(jìn)行直接的修改、試驗(yàn)和分析得到相對(duì)理想的結(jié)果，然后再根據(jù)修正后的模型或樣件通過(guò)掃描和造型等一系列方法得到最終的三維模型。

采用逆向設(shè)計(jì)的方法所得到的產(chǎn)品模型，因?yàn)槭怯袑?shí)際的模型參與各種試驗(yàn)因此得到的結(jié)果相對(duì)于概念化推算和電腦虛擬模擬更接近真實(shí)，從而能迅速找到產(chǎn)品的優(yōu)異形態(tài)并縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

在新產(chǎn)品開發(fā)中，通常采用正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)結(jié)合使用。

現(xiàn)有土力學(xué)的許多理論大都是以連續(xù)介質(zhì)為對(duì)象的研究成果，應(yīng)用到像土這樣的非連續(xù)、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的介質(zhì)中，沒有達(dá)到真正解決實(shí)際工程問(wèn)題的目的。如大部分土體本構(gòu)模型的模型參數(shù)取值不確定性太大，造成應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果波動(dòng)過(guò)大，在工程應(yīng)用中存在明顯缺陷。項(xiàng)目研究擬基于土非連續(xù)介質(zhì)和結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用現(xiàn)代測(cè)試新技術(shù)（如超聲波法、CT法和電阻率法等），通過(guò)土體微觀結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)與宏觀力學(xué)特性試驗(yàn)相結(jié)合,探索土體結(jié)構(gòu)描述新方法。建立土的應(yīng)力狀態(tài)方程，提出新的土體破壞準(zhǔn)則，創(chuàng)立新的極限平衡方程，建立土的物理力學(xué)本構(gòu)模型。通過(guò)室內(nèi)大型模型試驗(yàn)和離心機(jī)模型試驗(yàn)驗(yàn)證提出的新理論，并通過(guò)數(shù)值分析和工程應(yīng)用研究，進(jìn)一步完善理論成果。項(xiàng)目研究對(duì)闡明結(jié)構(gòu)性土的應(yīng)力狀態(tài)、強(qiáng)度和變形規(guī)律具有重要理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。