钢筋混凝土结构极端地震倒塌分析本构关系试验研究

针对全球范围极端地震频发所带来的建筑物倒塌所引起的人员伤亡和城市生命线破坏及相应的次生灾害等问题，本项目采用数值模拟技术研究工程结构的倒塌过程并探明工程结构的倒塌机制和机理。材料复杂非线性动力特性，尤其是材料软化、加载速率、接触界面特性是研究极端地震条件下工程结构数值模拟的基础。本项目开展了混凝土、钢筋及钢筋-混凝土界面静动态全曲线试验技术、动态本构关系、动态力学特性率效应和主要影响因素的试验研究。试验结果表明混凝土材料具有率效应敏感性，动态强度提高因子(DIF)受应变率、初始静载、养护条件、含水率、水灰比等因素的影响，建立了基于上述影响因素的DIF 模型。由于高应变率下钢筋与混凝土粘结性能试验难以实施，基于SHPB试验系统，本项目开发了一套钢筋与混凝土动态粘结性能试验加载装置，进行了对试件的冲击加载，成功采集了加载过程中荷载和位移数据，实现高应变率下的钢筋与混凝土粘结性能试验。在高粘结应力率段内，随着加载速率的增大，相同滑移量下粘结应力有不断升高的趋势，而极限粘结强度对应的滑移量逐渐减小。基于高应变率下钢筋混凝土粘结滑移试验数据建立了考虑加载速率影响的粘结滑移本构关系。基于上述试验结果建立了考虑应变率（10-6s-1-10-2s-1）、加载制度（冲击型和三角波）和初始静载（0、40%、80%、100%）的混凝土、钢筋、钢筋-混凝土界面本构模型。基于ANSYS/LS-DYNA显式动力有限元软件，对钢筋混凝土平面、空间框架进行爆炸荷载作用下的数值模拟，通过结构的动态响应研究了失效构件位置、配筋方式、钢筋连接方式、配筋率、炸药距离等参数对结构整体连续倒塌行为的影响。基于“降概率——隔危险——抗倒塌”的理念，从建筑安全管理、建筑规划、建筑等级划分、概念措施、计算方法、构件防护等方面逐一入手介绍，建议了钢筋混凝土框架结构的防连续倒塌实用设计方法。本项目原创性试验结果为揭示极端地震作用下钢筋混凝土结构的损伤破坏演化过程、损伤机理和破坏倒塌机制以及抗极端地震设计提供理论基础和科学依据。 2100433B

全球范围极端地震频发所带来的建筑物倒塌引起的人员伤亡和城市生命线破坏及相应的次生灾害，已经越来越受到人们的关注和重视。采用数值模拟技术研究工程结构的倒塌过程并探明工程结构的倒塌机制和机理，是保障建筑物在极端地震作用下安全的重要手段之一。在极端地震条件下，重大工程结构精细数值模拟离不开材料复杂非线性的动力特性，尤其是考虑材料软化（全曲线）、加载速率、接触界面特性。本项目拟开展混凝土、钢筋、钢筋-混凝土界面动态本构关系（全曲线）试验技术研究，进行相关材料动态试验研究，建立以试验为基础的考虑应变率（10-6 s-1～10-2 s-1）、加载制度（冲击型和三角波）和初始静载（0%、40%、80%、100%）影响的动态本构模型（全曲线）。本项目原创性基础试验成果将为揭示极端地震作用下钢筋混凝土结构的损伤破坏演化过程、损伤机理和破坏倒塌机制以及抗极端地震设计提供理论基础和科学依据。

关于极端气候的研究，近十多年来虽然已取得了新的进展，但无论在观测和理论及其模拟方面的研究都还缺乏系统性和深入性。尤其是(1)关于极端气候的区域型态及长期变率；(2)极端气候与全球平均气候变化的关系；(3)未来极端气候情景预测等三个方面的研究还有待深人。根据以往观测记录所显示的极端气候指标不但具有长期变率，而且其年际、年代际变化也十分明显；不少学者已经注意到，未来气候增暖背景下，气候极值频率有可能增大。20世纪中后期，人们将主要研究目标集中于全球或区域平均气候的变化趋势检测，而很少专门关注于全球或区域的极端气候及其长期变化规律，因此，就世界范围而言，一方面，尚缺乏关于气候极值的高质量的长期观测资料(包括全球及区域性的)致使人们对各地或不同区域的ECAE及其长期变率特征还知之甚少；另一方面，从理论上对于极端气候成因机制及其模拟试验和预测模型的研究都还处于起步阶段。虽然20世纪90年代以来，不少学者已注意到平均气候变化与极端气候的关系，但其研究还缺乏系统性和深度。

2000年许多学者发出了“关于加强极端天气气候事件长期观测变率及其未来变率预测的研究”的联合呼吁。正在执行中的CLIVAR的主要任务之一就是确定气候变率的区域型态，而在一定的统计分布型条件下，极端气候异常事件的许多统计特征量(如频率，强度等)与平均气候及其变率的非线性关系已经有了相当多的理论基础(如极值分布理论，统计分布函数的熵理论，平稳过程的交叉理论等)，各种气候数值模式模拟的最新结果也表明，模拟的平均气候场及变率有相当的可靠性，在给定的初边值条件下作第二类气候预报(气候强迫敏感性试验)与观测结果已相当一致。因而，借助于优良的气候数值模式输出结果，预测各种条件期望气候情景下，出现降水、气温ECAE灾害的风险(概率)及其区域型态已具备必要的理论基础。 2100433B

本课题围绕高墩桥梁在地震作用下的倒塌问题开展了相关研究工作。 结合申请人在桥梁抗地震倒塌能力关键问题方面的前期研究工作和该学科的最新成果，针对地震作用下桥梁墩柱在变形过程中刚度、强度随着损伤积累而退化的问题，探索高墩桥梁在地震作用下抗倒塌能力，重点研究了高墩桥梁中桥墩纵向钢筋屈曲导致结构在地震作用下倒塌破坏的地震灾变机理，并对桥梁劣化对地震作用下高墩桥梁的抗倒塌能力的影响进行了初步研究。取列得了一系的研究成果。主要工作包括： 1）对墩柱中纵向钢筋的屈曲进行了深入分析。提出了能考虑纵向钢筋屈曲的钢筋应力应变模型，通过考虑纵向钢筋屈曲压应变的方式计入纵向钢筋屈曲的影响。基于该钢筋模型建立了模拟高墩墩柱纵向钢筋受压屈曲破坏的高墩桥梁有限元分析精细模型； 2）对高墩桥梁在地震作用下的响应进行了深入分析，提出了高墩刚构桥倒塌破坏的判断准则，通过墩顶节点的竖向位移来反映结构承受竖向荷载的能力，以此判定高墩桥梁在地震作用下是否发生倒塌破坏. 3）对地震作用下高墩桥梁发生倒塌破坏的机理进行了深入分析，揭示了结构发生倒塌破坏的机理。梁桥结构的墩柱先后进入弹塑性状态，混凝土保护层发生剥落，随后纵向钢筋屈曲而逐渐丧失承受竖向荷载的能力，继而发生倒塌破坏。 4）研究了高墩桥梁在地震倒塌极限状态点的塑形变形特征，破坏模式以及P-Δ 效应对极限承载能力的影响力。 5）研究了劣化对高墩桥梁结构抗倒塌能力的影响。混凝土剥落、钢筋截面减少、和钢筋强度降低等劣化在一定程度上影响了结构在地震作用下的抗倒塌能力，其中钢筋截面减少对极限承载能力影响最大。 2100433B