典型既有钢框架结构节点动态抗倒塌性能与对策研究

由于典型既有钢框架结构的抗连续倒塌性能评估和加固设计的需要，确定合理的评估方法和有效的提高钢框架结构在极端灾害下的抗倒塌能力方法具有重要理论意义和工程实用价值。针对目前此方面研究基本处于空白的状况，本项目重点研究了冲击荷载作用下钢框架结构典型节点的抗冲击性能及钢框架结构的抗倒塌、抗冲击设计方法。具体的研究内容包括：（1）利用落锤冲击试验机和一种可实现落锤拉伸冲击试验的转换装置研究了钢材动态轴向拉伸性能及对接焊缝和角焊缝的落锤冲击试验。分析不同加载速度下钢材的强度、伸长率和断面收缩率等动态力学性能，以及对接焊缝和角焊缝的动态强度、冲击韧性和失效应变等动态力学性能指标；（2）利用落锤冲击实验机揭示了约束钢梁和典型既有钢框架结构节点（钢框架全焊接、螺栓连接、栓焊混合连接及翼缘加强型和狗骨式节点）及考虑楼板组合效应节点在落锤冲击荷载作用下的抗连续倒塌性能。研究钢梁成型方式、梁翼缘宽厚比、节点连接方式、节点构造形式、冲击能量等参数对承载能力、破坏形态、变形性能以及能量耗散等指标的影响，找出可以提高钢框架结构抗冲击性能的影响因素；（3）利用ABAQUS软件建立了冲击荷载作用下约束钢梁和典型钢框架结构节点的有限元模型，运用试验结果验证了模型的准确性，分析约束钢梁和钢框架节点子结构在高度非线性、大变形和应变率效应影响下塑性铰截面内力发展情况及悬索机构形成机理；（4）基于能量法结合试验和理论分析结果分析了钢框架节点在柱失效后悬链线效应的形成机理和荷载路径的转换机制，研究了节点抗连续倒塌性能对节点延性和耗能的要求。

近年来，建筑结构抵抗爆炸、冲击和火灾等极端灾害的能力越来越引起人们的关注。爆炸和冲击等突发事件引起的灾害表明，目前的各类建筑结构均缺乏抵抗此类极端灾害能力。因为在极端灾害作用下，结构产生非线性大变形，且不断积累损伤，如结构薄弱部位或关键构件失效，可能引起周边构件的破坏，进而导致结构整体或局部的倒塌，结构的倒塌将造成人员生命财产的重大损失。当关键构件，如柱子失效时，需要通过节点形成的悬链线效应来实现结构内力重分布，使结构具有良好的跨越能力，才能避免结构发生连续倒塌。结构是否具有良好的抗连续倒塌能力，主要取决于节点的整体牢固性，即鲁棒性。然而目前钢结构设计规范未考虑节点在极端灾害下的抗倒塌能力设计，既有钢框架结构节点的抗连续倒塌能力尚不清楚，对典型既有钢框架结构节点进行动态抗倒塌能力研究，对提高结构在极端灾害下的抗倒塌能力和采取有效措施提高结构抗倒塌能力具有重要理论意义和工程实用价值。

内容简介

本书介绍多高层建筑钢框架结构抗连续性倒塌性能的试验和理论研究成果，阐明多高层建筑钢框架结构抗连续性倒塌分析与设计方法。全书共分7章。第1章介绍国内外建筑结构抗连续性倒塌的研究、设计方法与规范概况；第2章和第3章介绍钢框架结构抗连续性倒塌的梁悬链线效应、空腹效应和楼板薄膜效应；后4章介绍爆炸和火灾作用下钢框架结构抗连续性倒塌的性能与分析设计方法，包括钢框架结构连续性倒塌的模式及影响因素、钢框架结构抗连续性倒塌的鲁棒性量化指标，以及钢框架结构抗连续性倒塌的实用计算和设计方法。 2100433B

“911”事件世贸大厦发生连续倒塌后，多高层建筑结构的抗连续倒塌研究已成为近期建筑结构研究的热点，但是现阶段抗连续倒塌研究中，框架-楼板三维整体结构体系研究成果有限，尤其是钢-混凝土组合结构体系，考虑三维整体效应的抗连续倒塌力学性能与计算方法研究有待进一步深入。申请人拟以钢框架-组合楼板结构体系在中间柱失效后的三维整体效应研究为切入点，以“试验研究—有限元模拟及影响参数分析—理论计算模型探索”的研究方法为手段，探索一种位移控制均布荷载下抗连续倒塌的三维整体效应试验方法，并运用能量原理获得考虑动力效应的伪静态三维结构响应，揭示三维整体效应的力学性能和传力路径，阐明三维整体效应中钢框架悬链线效应与组合楼板受拉薄膜效应等传力机制，提出一种考虑三维整体效应的钢框架-组合楼板结构抗连续倒塌理论计算方法。项目研究成果可为提高我国多高层钢-混凝土组合结构建筑抗连续倒塌性能和编制相关设计规范提供理论依据。

常规设计中，设计人员一般只考虑常规荷载下的结构承载力和安全性，结构遭受偶然荷载时的抗连续倒塌承载力设计理论还有待完善。 “911”事件中世贸大厦的连续倒塌掀起多高层建筑结构的抗连续倒塌研究的热潮。课题组完成了4个钢框架-组合楼板结构构件在中柱失效工况下的1/3缩尺模型实验研究，研究参数包括楼板长宽比、组合作用强弱和楼板边界条件，主梁与柱采用平齐式端板节点，其余节点采用腹板双角钢节点。实验结果表明，楼板长宽比为1:1的构件承载比长宽比为1:1.5的高，但是变形能力弱；组合作用强弱不影响最大承载力，较弱的组合作用会增加结构延性，有利于大变形阶段荷载的增长；楼板边界条件强，利于梁悬链线效应和楼板受拉薄膜效应的形成。此外，通过深入分析实验数据，课题组明确了三维楼板结构的传力机理。在中柱失效工况下，试件的整个破坏过程大致可以分为三个阶段。第一阶段主要是双跨主梁的受压拱作用和双跨主梁的抗弯作用抵抗竖向荷载。主梁节点破坏以后进入第二阶段，此时原本双跨主梁上承担的部分荷载将传递给双跨次梁承担，双跨次梁抗弯及悬链线机制开始发挥较大作用。第三阶段结构已经产生很大变形，楼板形成了较强的受拉膜效应，未破坏的部分次梁也形成了悬链线效应，二者共同抵抗外荷载。然后，课题组进行了端板节点、双角钢节点的组件实验和抗剪栓钉推出实验，基于组件实验建立了钢框架-组合楼板结构的有限与模型，验证了实验结论，还得出增加压型钢板厚度能提高结构抗倒塌承载力；增加抗剪栓钉数量能小幅度地提高结构抗倒塌承载力；提高节点延性能大幅提高结构抗倒塌承载力；增强节点承载力对结构抗倒塌承载力没有太大影响。通过有限元非线性动力分析得出，DOD中有关组合平面框架抗连续倒塌承载力动力放大系数的规定偏不安全。最后，课题组在实验研究和有限元分析的基础上，提出了易于工程实践使用的钢框架组合楼板结构抗连续倒塌承载力的双折线理论模型，与实验结果和有限元分析结果吻合良好。 2100433B