钢框架建筑结构抗连续性倒塌性能与分析

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

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。

“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。