不同拆柱情况下三维钢框架-组合楼板结构抗连续倒塌性能研究

摘要

目前结构越来越趋于大型化和复杂化，高层以及超高层建筑正变得越来越常见，钢结构和组合结构由于其优异的性能现在正成为结构设计师的首选。尽管在结构设计之初已经考虑了各种荷载作用，但现实的因素往往更为复杂和不可预测，建筑结构面临着许多风险，例如煤气爆炸、汽车撞击、恐怖袭击以及火灾等偶然事件。这些事件可能对结构造成不可恢复的初始损伤破坏，并进一步引发连锁反应导致破坏向结构的其他部位扩散，最终引发结构的连续性倒塌。　　1968年伦敦Ronan Point公寓的倒塌事故第一次给工程界敲响了警钟，而1995年俄克拉荷马的联邦大楼倒塌和2001年的纽约世贸大厦倒塌两次灾难性事故使得各国学者和设计人员意识到结构抗连续倒塌设计的必要性和紧迫性。目前，国内外学者对结构的抗连续倒塌性能与抗连续倒塌设计方法开展了大量的研究工作。但是已有研究主要集中在二维结构，无法考虑结构的三维整体效应以及楼板贡献；此外大多数试验都是评估结构在内部中柱失效下的抗连续倒塌承载力，对于其他构件拆除情况研究十分有限。　　因此，本文采用拆除构件法对 1/3 缩尺比例单层三维钢框架-组合楼板结构分别进行了边中柱与角柱失效工况下的抗连续倒塌试验研究，具体研究内容如下：　　①通过静力加载试验得到了三维组合楼板体系拆除边中柱与角柱失效下的全过程荷载-位移响应以及不同阶段的破坏模式；　　②对构件关键截面的应变变化规律进行了详细分析，初步探讨了不同拆柱情况下三维组合楼板体系的抗倒塌机制；　　③详细分析了边中柱失效下双跨主次梁体系中抗弯作用与悬链线效应的抗连续倒塌承载力贡献，以及各抗力机制对整体抗力的占比；　　④基于Izzuddin提出的能量法，计算了两种工况下三维钢框架-组合楼板体系的动力响应以及动力放大系数DIF取值，并与规范做了对比；　　⑤建立了平起式端板节点与腹板双角钢节点的有限元组件模型，在此基础上利用ABAQUS有限元软件建立了三维钢框架简化有限元分析模型；　　⑥分析了边中柱与角柱失效工况下三维钢框架的抗连续倒塌性能，定量评估了组合楼板对于钢框架-组合楼板结构体系抗连续倒塌承载力的作用，并讨论了加载方式对三维钢框架抗连续倒塌性能的影响。

目录

1 绪 论

1.1 建筑结构连续倒塌背景

1.1.1Ronan Point公寓倒塌事故

1.1.2 Alfred P. Murrah联邦大楼倒塌事件

1.1.3 三丰百货大楼倒塌事件

1.1.4 世贸大厦9·11事件

1.2.1 英国规范

1.2.2 欧洲规范

1.2.3 美国规范

1.2.4 加拿大规范

1.2.5 日本规范

1.2.6 澳大利亚规范

1.2.7 中国规范

1.3.1 抗连续倒塌设计方法

1.3.2 抗连续倒塌分析方法

1.4 关键构件拆除位置

1.5 国内外研究现状

1.5.1 二维节点与平面框架抗连续倒塌研究现状

1.5.2 三维钢框架结构抗连续倒塌研究现状

1.5.3 三维组合楼板体系抗连续倒塌研究现状

1.5.4 整体结构抗连续倒塌研究现状

1.6 本文研究内容

1.7 本章小结

2不同拆柱情况下钢框架-组合楼板体系连续倒塌试验研究

2.1 试验方案

2.1.1 构件设计

2.1.2 加载与约束系统

2.1.3 材性试验

2.1.4 测量方案

2.2 试验结果

2.2.1 荷载-位移曲线

2.2.2 失效模式

2.2.3 应变分析

2.2.4 位移与转角

2.3.1 抗力机制

2.3.2 动力响应与放大系数

2.3.3 竖向内力重分布

2.3.4 拆柱位置影响

2.4 本章小结

3 基于组件法的三维钢框架连续倒塌有限元分析

3.1 组件法简介

3.2 节点组件模型

3.2.1 平齐式端板节点

3.2.2 腹板双角钢节点

3.3 有限元模型建立

3.3.1 材料本构

3.3.2 单元选取

3.3.3 边界条件

3.3.4 约束关系

3.4 数值模型验证

3.4.1 荷载-位移曲线对比

3.4.2 变形模式对比

3.5.1 荷载-位移曲线

3.5.2 楼板作用

3.5.3 加载方式影响

3.6 本章小结

4 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表论文

B. 学位论文数据集

致谢