空间钢框架-组合楼板结构体系抗连续倒塌性能及结构钢延性断裂研究

摘要

建筑结构在漫长的服役生涯中将受到诸如爆炸、冲击、火灾等偶然事件的威胁而发生局部损伤破坏。若结构本身缺乏足够的鲁棒性，该局部损伤将迅速向剩余结构蔓延，并最终引起结构整体倒塌或者与初始损伤不成比例的破坏，这就是建筑结构的连续性倒塌。尽管结构连续倒塌事故发生的概率较低，但一旦发生将造成极大的人员伤亡、财产损失和恶劣的社会影响。以1968年伦敦Ronan Point公寓、1995年俄克拉荷马的联邦大楼以及2001年的纽约世贸大厦三起著名的倒塌事故为标志，各国专家与学者逐渐意识到建筑结构抗连续倒塌性能的重要性，并以此为契机催生出了一系列的研究成果。然而，需要指出的是，已有研究主要集中于梁-柱节点以及二维平面结构，而对空间结构的研究比较有限，尤其是高质量的空间楼板结构体系试验研究仍十分匮乏，因此无法充分考虑空间效应对结构抗连续倒塌性能的影响。本文的主要内容如下：　　（1）进行了两个大型2跨×2跨空间钢框架结构体系去中柱连续倒塌试验研究。试验中考虑了两种加载方式对空间钢框架结构体系的影响，包括集中荷载和均布荷载，而后者在试验中通过特殊设计的12点加载系统予以近似考虑。根据试验结果量化了不同加载方式对空间钢框架结构体系抗连续倒塌性能的影响程度，着重分析了在变形过程中各抗力机制（抗弯效应和悬链效应）的贡献。　　（2）采用相同的框架结构尺寸和节点类型，进行了去中柱空间钢框架-组合楼板结构的连续倒塌试验。详细介绍了试件的荷载-位移响应、破坏模式以及构件关键截面的应变发展。对中柱失效条件下空间钢框架-组合楼板结构体系抗力机制的发展以及竖向内力重分布进行了细致的比较和讨论。　　（3）利用ABAQUS/Static建立了空间钢框架及组合楼板结构体系简化有限元模型。该模型中钢梁、钢柱以及加载梁均采用梁单元模拟，梁-柱节点则基于组件法代之以若干非线性轴向连接器单元。另一方面，为考虑楼板在垂直于板肋和平行于板肋方向不同的结构响应，将楼板沿垂直肋方向划分为若干强弱条带，并采用组合壳单元近似模拟。楼板与钢框架间的组合效应则通过在栓钉位置处布置的“焊接”连接单元予以考虑。该简化有限元模型通过与本文中去中柱钢框架和组合框架倒塌试验以及课题组前期所进行的去边柱和去角柱组合框架倒塌试验的对比得以验证。利用验证后的有限元模型进行了大量参数化分析，包括压型钢板厚度，混凝土楼板厚度，主、次梁方向钢筋间距，楼板长宽比以及边界条件。　　（4）以组合楼板“条带模型”为基础，以虚功原理为基本原理推导出角柱失效条件下建筑结构抗连续倒塌性能简化计算方法。该方法充分考虑了结构变形过程中梁-柱节点转动中心的变化以及楼板在节点区域的应力集中现象。通过与本课题组前期所进行的去角柱组合框架倒塌试验以及本文中相应的有限元模拟结果的对比验证了该简化计算模型的正确性。　　（5）以Q345建筑结构钢为试验材料，进行了不同应力状态条件钢材断裂试验，包括光滑圆棒试件、缺口圆棒试件、双面开槽的平板试件、剪切平板试件、拉剪平板试件以及中间带有圆孔的平板试件。建立了相应的有限元模型，借助本文提出的改进的Mises屈服准则对断裂试验进行模拟，从而有效提取出不同试件的断裂参数（断裂应变-εfp，应力三轴度水平η和Lode应力参数Lp）。选取7个具有代表性的断裂模型，并在三维空间断裂场（η,Lp,-εfp）内对比分析了各模型对Q345结构钢断裂场的预测精度。通过特殊设计的三孔拉伸试件进一步在结构水平比较分析所选断裂模型的有效性。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 抗连续性倒塌设计方法简介

1.2.1 概念设计法

1.2.2拉结强度法

1.2.3 拆除构件法

1.2.4 关键构件法

1.3 建筑结构抗连续倒塌国内外研究现状

1.3.1梁-柱节点抗连续性倒塌性能研究现状

1.3.2 平面框架结构体系抗连续性倒塌性能研究现状

1.3.3 空间钢框架结构体系抗连续性倒塌性能研究现状

1.3.4 空间楼板结构体系抗连续性倒塌性能研究现状

1.4 金属延性断裂研究现状

1.4.1 应力状态表征

1.4.2金属延性断裂研究现状

1.5 研究现状总结及本文研究内容

2 空间钢框架结构抗连续倒塌性能试验研究

2.1 引言

2.2 试验方案

2.2.1 试验模型选取

2.2.2载和约束系统

2.2.3测量方案

2.2.4材料特性

2.3 试验结果

2.3.1 荷载-位移曲线及破坏模式

2.3.2 应变测量

2.3.3 位移及转角

2.4 抗力机制分析

2.5 本章小结

3 考虑楼板组合效应的空间钢框架结构抗连续倒塌性能试验研究

3.1 引言

3.2 试验概况

3.3 试验结果

3.3.1 荷载-位移曲线及破坏模式

3.3.2 梁应变分析

3.3.3 约束水平反力

3.3.4 位移与转角

3.4.1 抗力机制分析

3.4.2 竖向荷载内力重分布

3.4.3 楼板对空间组合结构体系抗连续倒塌性能的影响

3.5 本章小结

4 空间楼板结构体系连续倒塌数值模拟

4.1 引言

4.2.1 有限元模型

4.2.2 有限元模型验证

4.3 参数分析

4.3.1 钢筋间距的影响

4.3.2 压型钢板厚度的影响

4.3.3 长宽比的影响

4.3.4 混凝土楼板厚度的影响

4.3.5 非线性动力反应分析

4.3.6 边界条件影响

4.4 本章小结

5 角柱失效条件下抗连续倒塌简化计算方法

5.1 引言

5.2 基本假定

5.3 简化计算方法

5.3.1 基于虚功原理的结构响应计算基本方程

5.3.2 结构变形能

5.3.3 转动中心的确定

5.3.4 加、卸载条件

5.3.5 非线性动力响应

5.4 简化计算方法试验及有限元验证

5.5 本章小结

6 建筑结构钢材延性断裂及本构关系研究

6.1 引言

6.2 改进的Mises屈服准则

6.3 断裂模型

6.3.1 一参数模型

6.3.2 二参数模型

6.3.3 三参数模型

6.3.4 四参数模型

6.3.5 七参数模型

6.4.1 试验概述

6.4.2 试验结果

6.5.1 有限元模型

6.5.2 硬化曲线及屈服准则的确定

6.5.3 断裂应变及应力状态

6.6 断裂模型的评估

6.6.1 三维空间断裂场

6.6.2 三孔平板拉伸试验及其数值模拟

6.7 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 工作展望

参考文献

附录

A. 缩尺模型有效性验证

B. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

C. 作者攻读博士学位期间参与的科研项目

D. 学位论文数据集

致谢