建筑结构抗火试验平台

1章绪论1

1.1恐怖或意外爆炸事件中建筑结构的破坏现象1

1.1.10klahoma州联邦大楼2

1.1.2纽约世贸中心大厦3

1.1.3伦敦RonanPoint公寓楼4

1.1.4辽宁盘锦某办公大楼5

1.2爆炸破坏效应6

1.2.1爆炸冲击波的破坏效应6

1.2.2爆炸碎片的破坏效应7

1.2.3爆炸地震的破坏效应8

1.2.4爆炸引起的次生灾害8

1.3建筑结构抗爆研究现状9

1.3.1作用于建筑结构上的爆炸荷载9

1.3.2结构构件在爆炸荷载作用下的力学行为10

1.3.3地面建(构)筑物抗爆研究10

1.3.4地下结构抗爆研究11

1.3.5建筑结构抗爆设计及防爆措施12

1.4本书内容13

参考文献14

第2章爆炸荷载19

2.1爆炸荷载的分类19

2.1.1无约束爆炸荷载19

2.1.2约束爆炸荷载22

2.1.3作用于建筑结构上的爆炸荷载23

2.2莲筑外部爆炸情况下作用于结构上的爆炸荷载24

2.2.1城市复杂环境中作用于建筑结构上的爆炸荷载24

2.2.2建筑外部爆炸作用于结构柱上的爆炸荷载43

2.3建筑内部爆炸情况下作用于结构上的爆炸荷载81

2.3.1典型结构内部爆炸波的传播规律与超压荷载模型81

2.3.2地铁车站内爆炸波的传播规律与超压荷载模型93

2.4本章小结122

参考文献123

第3章建筑材料的动态本构关系126

3.1混凝土126

3.1.1混凝土抗压强度的应变率效应127

3.1.2混凝土抗拉强度的应变率效应130

3.1.3混凝土的动态本构模型131

3.2结构钢材与钢筋140

3.2.1钢材的应变率效应140

3.2.2钢材动态本构模型143

3.3砌体145

3.3.1黏土砖的动态增大系数145

3.3.2砂浆的动态增大系数146

3.3.3黏土砖和砂浆的动态本构模型148

3.4本章小结151

参考文献151

第4章爆炸荷载作用下结构构件的动态响应与损伤破坏161

4.1钢筋混凝土柱161

4.1.1钢筋混凝土柱动力响应的数值模拟162

4.1.2钢筋混凝土柱动力响应的参数分析167

4.1.3钢筋混凝土柱的破坏模式171

4.2钢柱173

4.2.1考虑损伤累积效应钢材的动态本构模型173

4.2.2考虑材料损伤累积影晌的评判标准174

4.2.3损伤演化方程174

4.2.4爆炸荷载作用下钢柱的动力响应和破坏模式175

4.3钢筋混凝土梁179

4.3.1钢筋混凝土梁抗爆性能分析的数值模型180

4.3.2钢筋混凝土梁的破坏模式187

4.3.3钢筋混凝土梁抗爆性能的影响因素分析191

4.4钢筋混凝土板199

4.4.1钢筋混凝土板的计算模型200

4.4.2钢筋混凝土板动力响应的影响因素分析202

4.4.3钢筋混凝土板的破坏形态分析207

4.5砌体填充墙215

4.5.1裂缝发展和碎片形成理沦216

4.5.2砌体材料模型219

4.5.3砌体墙有限元模型和爆炸响应分析229

4.5.4爆炸荷载作用下砌体墙碎片尺寸分析233

4.5.5爆炸荷载作用下砌体墙的碎片抛射距离分析235

4.5.6爆炸荷载作用下砌体墙的碎片统计特性239

4.5.7爆炸荷载作用下砌体墙的破碎过程模拟251

4.6本章小结255

参考文献256

第5章爆炸荷载作用下结构构件的损伤程度评估262

5.1确定结构构件P-I曲线的现有方法263

5.1.1解析方法263

5.1.2试验方法264

5.1.3数值方法265

5.2钢筋混凝土柱265

5.2.1确定钢筋混凝土柱P-I曲线的简化数值方法265

5.2.2钢筋混凝土柱P-I曲线的参数分析271

5.2.3任意钢筋混凝土柱P-I曲线的预测公式275

5.2.4比较和验证277

5.3钢柱280

5.3.1钢材材料模型280

5.3.2爆炸荷载作用下钢柱的损伤评估288

5.3.3燥炸荷载作用后钢柱的抗火分析292

5.4钢筋混凝土板303

5.4.1破坏参数303

5.4.2基准极限弯矩304

5.4.3冲击破坏及P-I曲线的绘制305

5.5本章小结308

参考文献308

第6章爆炸荷载作用下建筑结构的连续倒塌分析方法311

6.1直接模拟方法311

6.2替代传力路径法312

6.3考虑爆炸荷载效应的新方法314

6.3.1临界炸药起爆位置和炸药量的确定314

6.3.2结构构件非零初始条件的确定和数值模拟315

6.3.3结构构件初始损伤的确定和数值模拟318

6.3.4构件非零初始条件和初始损伤确定方法的数值验证319

6.3.5连续倒塌分析新方法的般分析步骤320

6.3.6比较和验证321

6.4子结构法335

6.4.1子结构选取原则335

6.4.2子结构边界条件的确定337

6.4.3结构倒塌判定准则及抗连续倒塌性能评估方法338

6.4.4钢框架抗连续倒塌性能评估339

6.5本章小结345

6.5本章小结345

参考文献346

第7章爆炸荷载作用下建筑结构的连续倒塌机制348

7.1钢筋混凝土框架结构的连续倒塌机制348

7.1.1材料模型的选取349

7.1.2建模中应注意的问题350

7.1.3钢筋混凝土框架结构连续倒塌分析351

7.2高层钢筋混凝土结构的连续倒塌机制360

7.2.1高层钢筋混凝土结构多尺度模型的建立360

7.2.2高层钢筋混凝土结构连续倒塌分析362

7.2.3高层钢筋混凝土结构连续倒塌机制与倒塌模式365

7.3钢框架绪构的连续倒塌机制369

7.3.1框架梁、柱表面爆炸荷载计算370

7.3.2爆炸荷载作用下钢框架结构的动态响应与破坏倒塌分析379

7.4钢平板网架的破坏倒塌385

7.4.1平板网架结构有限元模型和爆炸荷载386

7.4.2爆炸荷载作用下平板网架结构的破坏倒塌分析387

7.5本章小结403

参考文献403

第8章建筑结构抗爆设防标准与概念设计406

8.1建筑结构抗爆设防标准407

8.1.1抗爆设防烈度407

8.1.2抗爆设防等级409

8.1.3抗爆设防标准412

8.1.4抗爆设防类别417

8.2建筑结构抗爆概念设计418

8.2.1抗爆概念设计的重要性418

8.2.2抗爆防护设计目标419

8.2.3抗爆概念设计理念419

8.2.4抗爆构造措施426

8.2.5建筑结构抗爆概念设计要点431

8.3建筑结构抗爆防护安全指标432

8.3.1爆炸破坏效应432

8.3.2爆炸防护荷载标准434

8.3.3比例距离437

8.3.4防护安全指标440

8.3.5天津西站抗爆防护分析441

8.4本章小结443

参考文献444

索引447

目录

第1章绪论1

1.1恐怖或意外爆炸事件中建筑结构的破坏现象1

1.1.10klahoma州联邦大楼2

1.1.2纽约世贸中心大厦3

1.1.3伦敦RonanPoint公寓楼4

1.1.4辽宁盘锦某办公大楼5

1.2爆炸破坏效应6

1.2.1爆炸冲击波的破坏效应6

1.2.2爆炸碎片的破坏效应7

1.2.3爆炸地震的破坏效应8

1.2.4爆炸引起的次生灾害8

1.3建筑结构抗爆研究现状9

1.3.1作用于建筑结构上的爆炸荷载9

1.3.2结构构件在爆炸荷载作用下的力学行为10

1.3.3地面建(构)筑物抗爆研究10

1.3.4地下结构抗爆研究11

1.3.5建筑结构抗爆设计及防爆措施12

1.4本书内容13

参考文献14

第2章爆炸荷载19

2.1爆炸荷载的分类19

2.1.1无约束爆炸荷载19

2.1.2约束爆炸荷载22

2.1.3作用于建筑结构上的爆炸荷载23

2.2莲筑外部爆炸情况下作用于结构上的爆炸荷载24

2.2.1城市复杂环境中作用于建筑结构上的爆炸荷载24

2.2.2建筑外部爆炸作用于结构柱上的爆炸荷载43

2.3建筑内部爆炸情况下作用于结构上的爆炸荷载81

2.3.1典型结构内部爆炸波的传播规律与超压荷载模型81

2.3.2地铁车站内爆炸波的传播规律与超压荷载模型93

2.4本章小结122

参考文献123

第3章建筑材料的动态本构关系126

3.1混凝土126

3.1.1混凝土抗压强度的应变率效应127

3.1.2混凝土抗拉强度的应变率效应130

3.1.3混凝土的动态本构模型131

3.2结构钢材与钢筋140

3.2.1钢材的应变率效应140

3.2.2钢材动态本构模型143

3.3砌体145

3.3.1黏土砖的动态增大系数145

3.3.2砂浆的动态增大系数146

3.3.3黏土砖和砂浆的动态本构模型148

3.4本章小结151

参考文献151

第4章爆炸荷载作用下结构构件的动态响应与损伤破坏161

4.1钢筋混凝土柱161

4.1.1钢筋混凝土柱动力响应的数值模拟162

4.1.2钢筋混凝土柱动力响应的参数分析167

4.1.3钢筋混凝土柱的破坏模式171

4.2钢柱173

4.2.1考虑损伤累积效应钢材的动态本构模型173

4.2.2考虑材料损伤累积影晌的评判标准174

4.2.3损伤演化方程174

4.2.4爆炸荷载作用下钢柱的动力响应和破坏模式175

4.3钢筋混凝土梁179

4.3.1钢筋混凝土梁抗爆性能分析的数值模型180

4.3.2钢筋混凝土梁的破坏模式187

4.3.3钢筋混凝土梁抗爆性能的影响因素分析191

4.4钢筋混凝土板199

4.4.1钢筋混凝土板的计算模型200

4.4.2钢筋混凝土板动力响应的影响因素分析202

4.4.3钢筋混凝土板的破坏形态分析207

4.5砌体填充墙215

4.5.1裂缝发展和碎片形成理沦216

4.5.2砌体材料模型219

4.5.3砌体墙有限元模型和爆炸响应分析229

4.5.4爆炸荷载作用下砌体墙碎片尺寸分析233

4.5.5爆炸荷载作用下砌体墙的碎片抛射距离分析235

4.5.6爆炸荷载作用下砌体墙的碎片统计特性239

4.5.7爆炸荷载作用下砌体墙的破碎过程模拟251

4.6本章小结255

参考文献256

第5章爆炸荷载作用下结构构件的损伤程度评估262

5.1确定结构构件P-I曲线的现有方法263

5.1.1解析方法263

5.1.2试验方法264

5.1.3数值方法265

5.2钢筋混凝土柱265

5.2.1确定钢筋混凝土柱P-I曲线的简化数值方法265

5.2.2钢筋混凝土柱P-I曲线的参数分析271

5.2.3任意钢筋混凝土柱P-I曲线的预测公式275

5.2.4比较和验证277

5.3钢柱280

5.3.1钢材材料模型280

5.3.2爆炸荷载作用下钢柱的损伤评估288

5.3.3燥炸荷载作用后钢柱的抗火分析292

5.4钢筋混凝土板303

5.4.1破坏参数303

5.4.2基准极限弯矩304

5.4.3冲击破坏及P-I曲线的绘制305

5.5本章小结308

参考文献308

第6章爆炸荷载作用下建筑结构的连续倒塌分析方法311

6.1直接模拟方法311

6.2替代传力路径法312

6.3考虑爆炸荷载效应的新方法314

6.3.1临界炸药起爆位置和炸药量的确定314

6.3.2结构构件非零初始条件的确定和数值模拟315

6.3.3结构构件初始损伤的确定和数值模拟318

6.3.4构件非零初始条件和初始损伤确定方法的数值验证319

6.3.5连续倒塌分析新方法的般分析步骤320

6.3.6比较和验证321

6.4子结构法335

6.4.1子结构选取原则335

6.4.2子结构边界条件的确定337

6.4.3结构倒塌判定准则及抗连续倒塌性能评估方法338

6.4.4钢框架抗连续倒塌性能评估339

6.5本章小结345

参考文献346

第7章爆炸荷载作用下建筑结构的连续倒塌机制348

7.1钢筋混凝土框架结构的连续倒塌机制348

7.1.1材料模型的选取349

7.1.2建模中应注意的问题350

7.1.3钢筋混凝土框架结构连续倒塌分析351

7.2高层钢筋混凝土结构的连续倒塌机制360

7.2.1高层钢筋混凝土结构多尺度模型的建立360

7.2.2高层钢筋混凝土结构连续倒塌分析362

7.2.3高层钢筋混凝土结构连续倒塌机制与倒塌模式365

7.3钢框架绪构的连续倒塌机制369

7.3.1框架梁、柱表面爆炸荷载计算370

7.3.2爆炸荷载作用下钢框架结构的动态响应与破坏倒塌分析379

7.4钢平板网架的破坏倒塌385

7.4.1平板网架结构有限元模型和爆炸荷载386

7.4.2爆炸荷载作用下平板网架结构的破坏倒塌分析387

7.5本章小结403

参考文献403

第8章建筑结构抗爆设防标准与概念设计406

8.1建筑结构抗爆设防标准407

8.1.1抗爆设防烈度407

8.1.2抗爆设防等级409

8.1.3抗爆设防标准412

8.1.4抗爆设防类别417

8.2建筑结构抗爆概念设计418

8.2.1抗爆概念设计的重要性418

8.2.2抗爆防护设计目标419

8.2.3抗爆概念设计理念419

8.2.4抗爆构造措施426

8.2.5建筑结构抗爆概念设计要点431

8.3建筑结构抗爆防护安全指标432

8.3.1爆炸破坏效应432

8.3.2爆炸防护荷载标准434

8.3.3比例距离437

8.3.4防护安全指标440

8.3.5天津西站抗爆防护分析441

8.4本章小结443

参考文献444

索引447

众所周知，火灾会严重威胁人们的生命财产安全，同时也会产生不良的社会影响，并对环境造成污染。在可能 发生的火灾中，建筑火灾的发生最为频繁。火灾之所以对建筑结构产生危害，实际上是由建筑结构的功能属性决定的。火灾发生具有随机性，面对火灾，人类需掌握其灾变机理，深入研究建筑结构的抗火设计原理，进行科学的抗火设计，从而使建筑结构具备要求的"抗火"性能。?

组合结构(Composite Structures)是目前在建筑结构中应用较广泛且发展较快的一种结构形式，是由两种或两种以上结构材料组合而成的结构。作者有幸在我国土木工程建设事业快速发展时期进行了一些组合结构方面的研究工作。关于钢管混凝土构件方面的研究成果在《钢管混凝土结构》(科学出版社，2000年初版;2004年第一版;2007年第二版)中进行了论述;有关一些新型组合结构构件、组合结构节点和平面框架、混合剪力墙结构、混合结构体系等方面的研究成果则在《现代组合结构和混合结构》(2009年，科学出版社)中进行了阐述。本书主要论述作者在钢?混凝土组合结构抗火设计原理方面取得的研究结果。?

建筑结构抗火设计的总体目标可概括为最大限度地减少人员伤亡、降低财产的直接和间接损失、减轻对环境的污染和影响。以往，人们已在建筑结构抗火设计原理方面取得了不少成果，积累了不少工程实践经验，但对钢?混凝土组合结构抗火设计原理方面仍有不少问题需要继续深入研究，有关设计规程也需要制订、补充或完善。?

钢混凝土组合结构抗火设计原理的研究包括其耐火性能、抗火设计方法和防火保护措施等方面，其中耐火性能研究是确定抗火设计方法的前提，而如何根据工程结构的特点，"因地制宜"地采用适当的防火保护措施是最大限度地实现建筑投入经济性与结构性能有效性统一的保证，是保证实现结构抗火设计目标的基础。?

掌握基本构件的耐火性能是进行组合结构体系抗火性能研究的基础。本书第2章论述了型钢混凝土构件的耐火性能和抗火设计方法;第3章论述了中空夹层钢管混凝土、不锈钢管混凝土、FRP约束钢管混凝土和钢筋混凝土构件的耐火性能;第4章中论述了火灾后钢管混凝土构件修复加固方面的研究成果。?

实际建筑结构多为超静定结构，因此火灾作用下单个构件的破坏并不等同于整个建筑结构的破坏。例如，在局部火灾下，即使某一构件达到耐火极限，往往也不会因为单根构件的失效而导致整体结构破坏;但节点的破坏却使得整体建筑可能从结构转变为机构，从而失去整体稳定性而倒塌。在对火灾下结构体系的力学分析中，合理地模拟节点的工作机理往往是难点，也是关键点。本书第5章论述了型钢混凝土柱?型钢混凝土梁、钢管混凝土柱?钢筋混凝土梁连接节点的耐火性能;第6章论述了考虑升、降温影响时钢管混凝土柱?组合梁、型钢混凝土柱?型钢混凝土梁连接节点火灾后的力学性能;第7章则介绍了火灾后钢管混凝土柱钢梁连接节点的滞回性能。?

研究火灾下单层、单跨框架的力学性能是进行多层、多跨框架以及空间框架结构体系耐火性能和性能化抗火设计的基础。本书第8章论述了钢管混凝土柱?钢筋混凝土梁平面框架结构耐火性能的研究结果。?

本书第9章对钢?混凝土组合结构抗火设计原理研究的一些关键问题进行了探讨和展望。

本书的研究工作先后得到国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金重点项目、国家重大基础研究计划("973"计划)项目、国家科技支撑计划子课题、高等学校博士学科点专项科研基金课题、公安部应用创新计划项目、清华大学"百名人才引进计划"资助课题、清华大学自主科研计划课题等的资助，特此致谢!?

本书第一作者的博士后和研究生们对本书所论述内容做出了重要贡献，如王卫华、谭清华和郑永乾进行了型钢混凝土构件耐火性能的研究(第2章);卢辉、廖飞宇、陶忠、杨有福、陈峰等进行了组合柱耐火性能的研究(第3章);陶忠、林晓康和陈峰进行了钢管混凝土火灾后性能的研究(第4章);郑永乾、王卫华和谭清华进行了组合框架梁?柱节点耐火性能的研究(第5章);霍静思和江莹等进行了火灾后框架梁?柱节点力学性能的研究(第6章和第7章)，王卫华和王广勇进行了组合框架结构耐火性能的研究(第8章和第9章)等。作者在此谨向他(她)们致以诚挚的谢意!?

作者感谢公安部天津消防科学研究所、国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心，亚热带建筑科学国家重点实验室，澳大利亚Monash大学土木工程系结构实验中心等单位为进行与本书内容有关的火灾试验所给予的支持和帮助!?

组合结构学科所包含的内容广泛，其抗火设计原理研究的内容非常丰富。本书仅结合作者所熟悉的领域和取得的阶段性研究结果进行论述，内容远非全面和系统。开展本书有关研究工作的目的:一则期望能解决一些具体的组合结构抗火设计原理研究方面的问题;二则期望能为有关领域研究工作的进一步深入开展提供参考。随着课题组研究工作的不断深入，作者期望能对本书内容进行充实和完善。?

由于作者学识水平所限，书中难免存在不妥之处，作者怀着感激的心情期待读者给予批评指正!??

于清华园