钢筋混凝土框架柱突然失效试验研究

摘要

近几十年，随着工程技术水平的不断提高，建筑结构向大型化、复杂化方向发展。与此同时，结构安全性要求也不断提高。自从“9.11”事件之后，结构的抗连续倒塌研究日益引起人们重视。在工程结构漫长的使用寿命里，可能遭遇各种偶然突发灾害事件（偶然作用），如爆炸、冲击、火灾等，不可避免地会导致结构局部破坏或损伤，如果剩余结构不能有效地承担结构初始破坏和损伤造成的不平衡荷载或内力变化，剩余结构就会进一步发生破坏，这种破坏可能引起多米诺骨牌式的连锁反应，导致破坏在结构系统内不断发展，从而造成结构的大范围内严重破坏甚至整个结构的倒塌，也就是连续性倒塌。
　　本文在“985”工程专项经费(编号:531106004003)、“千人计划”专项经费（编号:531106004009）、教育部“建筑安全与节能”重点试验室的资助下进行了大比例框架的竖向构件突然失效倒塌试验研究工作，并结合有限元和数值分析的方法进行专项研究，主要研究内容如下:
　　1.在大比例结构抗连续倒塌试验中，利用氢气冲击炮实现了竖向构件快速失效，该方法设备简单，安全可靠，对试验数据的采集干扰小，并通过试验验证了这个方法的可行性。
　　2.对试验构件的拆除顺序和位置、试验构件的拆除方法、试验的加载方法以及试验数据的采集方法进行了专项研究，以保证试验取得预期的成果。
　　3.为研究框架结构在边柱、中柱突然失效瞬间结构的动力反应、内力重分布和破坏形态，进行了1/2比例三层三跨钢筋混凝土框架的倒塌试验。通过研究破坏瞬间结构的位移反应、加速度反应、钢筋应变和裂缝分布情况，揭示了结构在竖向构件失效时的抗倒塌性能。试验结果表明按照抗震规范进行设计的框架结构在底层单个边柱或单个中柱突然失效时具有较好的抗连续倒塌性能;在底层两个边柱突然失效时将产生较大的变形，结构产生严重破坏，并导致局部倒塌。同时试验发现结构的后期变形在倒塌过程中具有重要意义。
　　4.采用SAP2000有限元程序进行了线性动力分析，对结构在试验瞬间的受力状态进行了模拟，分析结果与试验结果吻合良好;同时采用SAP2000有限元程序进行了非线性静力分析，用于分析结构在竖向构件失效后塑性铰产生的顺序，从而揭示结构内力变化的过程;并根据悬链效应计算出了结构的极限荷载。
　　5.通过数值分析与试验相结合的方法重点研究了结构在竖向构件失效时产生的动力效应问题，研究表明因结构材料在快速荷载作用下强度提高、变形滞后的原因，动力效应对结构的影响并不显著。
　　6、根据试验过程中观测到的结构变形和试验现象，阐述了结构在竖向构件突然失效后的倒塌过程，并将倒塌过程分为四个阶段，对各个阶段结构变形特点、内力变化规律进行了细致的分析。
　　7、总结了各次试验中出现的裂缝分布规律、结构薄弱部位并相应提出了抗连续倒塌设计建议，用于指导抗连续倒塌设计工作。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 建筑结构的连续倒塌问题

1．2 典型连续倒塌事件及其对设计方法的影响

1．2．1 Ronan Point公寓倒塌事故

1．2．2 Alfred P．Murrah大楼倒塌事故

1．2．3 世贸大厦倒塌事故

1．3 抗连续倒塌设计规范

1．3．1 英国抗倒塌设计规范

1．3．2 欧洲抗倒塌设计规范

1．3．3 美国抗倒塌设计规范

1．3．4 美国国防部DoD2005／2009／2010

1．3．5 现有规范设计方法的分析

1．4 抗连续倒塌研究现状

1．4．1 抗连续倒塌性能评估

1．4．2 抗连续倒塌试验研究

1．4．3 抗连续倒塌加固方法

1．4．4 用于连续倒塌风险评估的概率模型

1．5 本文研究工作

第2章 模型设计与试验方案

2．1 概述

2．2 原型结构设计

2．3 试验模型设计

2．4 试验模型制作

2．5 试验中需解决的关键性问题

2．5．1 试验构件的拆除位置和次序

2．5．2 试验构件的拆除方法

2．5．3 试验模型的加载方案

2．6 测试方案

2．7 小结

第3章 框架边柱突然失效试验研究

3．1 概述

3．2 D3柱失效试验

3．2．1 试验测试方案

3．2．2 试验过程

3．2．3 位移测量

3．2．4 加速度测量

3．2．5 钢筋应变测量

3．2．6 裂缝分布

3．3 D2柱失效试验

3．3．1 试验过程

3．3．2 位移测量

3．3．3 加速度测量

3．3．4 钢筋应变测量

3．3．5 裂缝分布

3．4 小结

第4章 框架中柱突然失效试验研究

4．1 概述

4．2 试验测试方案

4．3 位移测量

4．4 加速度测量

4．5 钢筋应变测量

4．6 裂缝分布

4．7 小结

第5章 钢筋混凝土框架抗连续倒塌模拟分析

5．1 引言

5．2 SAP2000数值模拟分析

5．2．1 SAP2000软件概述

5．2．2 楼板的模拟

5．2．3 连续倒塌判定准则

5．2．4 塑性铰力-变形模型

5．2．5 非线性静力分析

5．2．6 线性动力分析

5．3 本章小结

第6章 框架结构竖向构件突然失效后机理分析

6．1 概述

6．2 结构的动力效应

6．2．1 结构试验中的动力效应

6．2．2 动力效应数值分析

6．2．3 动力效应有限元分析

6．3 结构变形全过程分析

6．3．1 快速加载作用下钢筋和混凝土的材料力学性能

6．3．2 竖向构件失效后期变形对结构变形的影响

6．3．3 竖向构件失效时结构的变形全过程分析

6．4 结构破坏形态分析

6．5 填充墙对结构抗连续倒塌的影响和抗连续倒塌设计建议

6．6 小结

结论

参考文献

致谢

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