大跨空间钢结构的连续性破坏试验与倒塌机制研究中文摘要

大跨空间结构在追求质量轻的同时亦一定程度上降低了结构的冗余度，因此一旦在非预期荷载作用下局部失效，极易引发多米诺骨牌似的连续性倒塌。基于此，本项目以大跨空间网壳结构为具体研究对象，构建基于多尺度思想的包含动力学、机构运动学和碰撞冲击等非线性力学特征和构件非弹性、构件断裂失效等行为特征的高效数值算法，以局部失效诱致的节点/杆件塑性或脆性断裂为起点，模拟空间结构体系渐进破坏、整体失稳、直至倒塌的全过程；结合具有破断触发装置和影像测试系统的空间网壳结构精细模型的倒塌全过程追踪试验，分析应力瞬态释放和内力重分布机制等因素，揭示典型大跨空间网壳结构局部失效后的连续性破坏机理与倒塌机制。同时，构造空间结构的能量平衡格式，建立反映其倒塌性能的倒塌谱，从而提出基于关键构件和简化评估方法的抗倒塌设计准则、倒塌控制模式和相应的倒塌防止对策，为大型空间结构的抗连续性倒塌设计提供必要的手段和技术支撑。

结构体系在非预期荷载作用下因局部失效而导致整体结构连续性倒塌的现象，得到越来越多的关注和研究；但迄今为止的研究成果大多集中于框架结构体系，针对大跨度空间结构体系的连续性倒塌研究则相对较少。然而，近年来诸如德国巴特赖兴哈尔溜冰场屋盖、鄂尔多斯国际那达慕会场等大型公共建筑的倒塌事件频现于报端，使得此类大跨度空间结构的连续性倒塌研究具有明确的现实意义与切实的紧迫性。本项目即从大跨桁架结构和单层球面网壳结构两类典型的刚性空间网格结构出发，以精细、系统的整体模型倒塌试验为基础，辅以能真实反映倒塌过程与性态的数值分析，结合简化的数学模型分析，从机理上阐释空间网格结构的抗倒塌机理，并提出杆件敏感性的定量确定方法。本项目研究首先开发及完善了空间结构连续性倒塌研究的试验与数值分析手段，以实现局部初始破坏的构件初始失效装置和高频动应变、高速动位移的采集系统为核心，构建了整体模型试验连续性倒塌试验系统；使用材料多尺度方法构建了能考虑断裂中剪切与拉伸组合贡献的新的韧性金属断裂模型，提出纤维梁单元轴向应变断裂准则，封装成子程序用于空间梁杆单元断裂的模拟，并开发了基于Abaqus子程序的结构连续性倒塌分析过程控制算法，提高空间结构连续性倒塌有限元分析效率。对大跨度桁架结构的研究以典型的Warren桁架为对象，完成了3个平面桁架结构模型的动力连续性倒塌试验，结合不同倒塌工况下的响应参数分析，阐释桁架结构抗倒塌机制：依初始局部破坏的位置不同，桁架结构通过下弦的悬链线作用或整体的拱效应抵抗连续性倒塌的发生，跨中位置的所有杆件及紧邻支座位置下弦杆为倒塌敏感杆件；同时，基于不平衡力缓慢逐步释放的思想，开发了一种新型桁架节点构造，并经试验验证，其可在多方面显著地改善整体结构的抗连续性倒塌性能。对空间网壳结构的研究以Keiwitt型单层球面网壳结构为对象，完成了2个单层球面网壳模型的动力连续性倒塌试验，结合有限元分析，指出初始破坏对网壳结构的影响更多地体现在局部的内力重分布，自由节点的点失稳是单层球面网壳结构发生连续性倒塌的根本原因；基于此，构造了自由节点“稳定抗力系数”公式用于判定杆件的敏感性，并成功应用于凯威特型、肋环型、施威德勒型和联方型单层球面网壳结构的敏感杆件判断；同时，提出了提高单层球面网壳结构抗连续性倒塌能力的概念设计方法。 2100433B

本项目针对高层建筑结构地震灾变的核心科学问题，系统地开展其在强震下的破坏倒塌机制与灾变过程控制理论与方法研究。从材料、构件、子结构及结构整体多个层次上研究强震下高层建筑结构非线性反应建模理论和高效的计算分析方法，考虑多个强非线性因素的影响，实现高层建筑结构由构件损伤、局部破坏直至倒塌的动力灾变过程模拟，建立强震下高层建筑构件失效破坏准则及整体倒塌破坏准则，研究构件损伤、局部破坏与整体倒塌的内在联系，揭示高层建筑结构在强震下的破坏倒塌机制；深入研究高层建筑结构的地震失效模式，发展高层建筑结构失效模式优化及采取减震控制措施的地震灾变过程控制理论和方法，建立高层建筑结构在强震下提高整体抗倒塌能力的控制措施，为提升高层建筑的抗震能力提供坚实的理论基础和技术支撑，本项目的研究具有重大的理论意义和工程应用价值。 2100433B

随着钢结构在工业以及民用建筑中的应用日益广泛，在恐怖主义爆炸袭击频繁的今天，研究钢结构建筑，特别是重要建筑，在偶然荷载作用下的结构响应以及抗倒塌性能，具有重大意义。本项目主要针对钢框架结构在中柱失效工况下的鲁棒性了研究。利用试验研究和数值模拟的方法，考察了无楼板以及带楼板三维刚性连接钢框架结构的抗连续性倒塌性能，并分析两大力学机制，即弯曲效应以及悬链线效应对结构抗倒塌能力的贡献；在试验数据的基础上，利用能量法估算结构体系在中柱突然失效后的动力响应。通过对比分析，揭示了楼板体系对钢框架结构抗连续性倒塌性能的影响，并分析了混凝土强度、楼板厚度以及配筋率等参数对钢框架结构抗连续性倒塌性能的影响。研究结果表明，刚性连接钢框架结构具有良好的延性以及抗倒塌性能；楼板对与结构的抗倒塌性能以及结构体系中抗倒塌力学机制的形成和发展都有着十分重要的影响；楼板体系可以提高结构体系的承载力，但是结构的延性有所降低；不带楼板和带楼板的试验模型均不会在中柱突然失效后发生连续性倒塌；美国国防部颁布的结构抗连续性倒塌设计规范（UFC 4-023-03）所给出的计算动力放大系数的方法不够准确也不够保守。在以上研究结果的基础上，提出了能够提高钢框架结构抗连续性倒塌性能的加固方法，即梁柱节点附近钢梁下翼缘加盖板；利用试验和数值模拟验证了该方法的有效性并讨论了该方法的经济性。总之，本研究对阐明钢框架结构在失效工况下的倒塌机理，从而进一步发展钢框架结构的抗连续性倒塌分析、设计与加固方法具有理论意义，指导作用和实用价值。 2100433B

主要针对楼板对钢框架结构鲁棒性的影响进行了研究。本项目主要研究内容以及意义包括：（1）进行了包括楼板、梁和柱等结构构件的钢框架子结构倒塌试验，并且令该试验发展成为今后钢框架结构连续性倒塌数值计算模型验证的Benchmark模型；（2）建立试验模型的三维精细化计算模型，并利用试验数据对其进行验证以确保该计算模型的精确度和可靠性；（3）利用已建立的计算模型，以非线性分析为主要研究方法，从微观角度研究楼板体系在钢框架结构连续性倒塌中所起的作用，特别是组合效应和薄膜效应，并以此为基础建立适用于设计工作的简化楼板计算模型；（4）提出利用FRP提高楼板的拉结强度从而提高现有钢框架结构抗连续性倒塌能力的加固方法，并利用试验研究与数值模拟相结合的方法验证其可行性。总之，本研究对厘清钢框架结构在失柱情况下的倒塌机理，从而进一步发展钢框架结构的抗连续性倒塌分析、设计与加固方法具有理论意义，指导作用和实用价值。