钢筋混凝土框架结构体系连续性倒塌三维仿真研究

针对钢筋混凝土框架结构体系连续性倒塌三维仿真研究及其设计理论中的关键技术问题，本项目研究首先自主开发研制了基于三维实体退化虚拟层合单元理论的钢筋混凝土框架结构体系连续性倒塌三维仿真分析方法及其非线性有限元分析程序，并进行了适用性研究，该方法力学概念简洁明确，普遍适用性强。之后，应用所编制的程序，进行了多因素、多工况的钢筋混凝土框架结构体系连续性倒塌三维仿真分析研究：仿真分析中按实际情况对纵、横向钢筋（箍筋）、楼板和填充墙体进行三维精细化模拟，引入分布裂缝模型模拟裂缝发展，并考虑梁板柱空间协同工作，重点分析探讨以下因素：楼板参数变化、抗震设计参数变化、结构的平面、立面布局和填充墙体的数量及布局对钢筋混凝土框架结构体系连续性倒塌机理及抗连续倒塌性能的影响。通过上述分析，获得了考虑梁板柱空间协同工作（三维精细化有限元仿真模拟），各个分析模型的空间受力特征（应力云图或等值线图、位移云图或等值线图）、框架结构或填充墙空间破坏形态、结构荷载—位移曲线、裂缝分布及发展情况、极限承载力等全过程的结构承载性能和特征，上述仿真分析（即结构倒塌数值仿真试验）结果对于探索考虑梁板柱空间协同工作的钢筋混凝土框架结构体系抗连续性倒塌性能具有重要学术理论价值，可为相关研究提供借鉴和参考。最后，借助上述多因素、多工况的钢筋混凝土框架结构体系连续性倒塌三维仿真分析研究成果，通过对考虑梁板柱空间协同工作的钢筋混凝土框架结构体系连续性倒塌机理、抗连续倒塌性能的总结及相关对策和抗连续倒塌的性能设计关键参数的探讨，本项目获得了一些重要的研究结论，提出了相关设计建议，可为完善钢筋混凝土框架结构体系抗连续倒塌的设计理论提供重要借鉴和参考。 2100433B

目前,钢筋混凝土框架结构体系连续性倒塌三维仿真研究尚存不足。本项目研究拟基于三维实体退化虚拟层合单元理论，探索一种具有普遍适用性、力学概念简洁明确、有效的钢筋混凝土框架结构体系连续性倒塌三维仿真分析方法，并籍此对钢筋混凝土框架结构体系连续性倒塌的机理、抗连续倒塌性能及对策进行深入研究，逐步形成钢筋混凝土框架结构体系抗连续倒塌的性能化设计指标，以期进一步完善钢筋混凝土框架结构体系抗连续倒塌的设计理论。

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

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。