钢框架简化建模及连续倒塌鲁棒性评估

摘要

连续倒塌通常是由结构的超载或意外荷载所引起建筑物的局部破坏后，其所引发的连锁反应扩散至结构的其他部分而导致。引起结构的连续倒塌的具体荷载的来源和大小是多种多样的。研究连续倒塌的主要目的，是获得一种实用的抗连续倒塌方法，并且能够应用到结构的抗连续倒塌设计中。钢结构建筑的连续倒塌本身是一个复杂的动态非线性的过程，研究结构倒塌特性时，一般需要建立一系列的有限元分析模型，而这些模型应能精确地反映出结构荷载反应特性以及结构失效特性等。在研究连续倒塌问题时，研究的重点通常是在弹塑性阶段，以及部分构件的悬链线效应阶段，所以在建立模型过程中，应能准确考虑结构的几何非线性以及材料非线性。 钢结构的抗连续倒塌能力一般取决于其抵抗局部损伤的能力，但这种抵抗连续倒塌的能力取决于许多因素，目前这些因素还没有一个稳定和可靠的方式来进行判定。近年来，组件法模型已经被认为是一种解决连续倒塌问题的有效方法和手段。 本文以组件法理论为基础，对钢框架进行了一系列的简化，进一步研究了钢框架的连续倒塌性能，研究的内容主要集中在以下几个方面： （1）基于组件法建模的原理，对于三种不同类型节点进行简化建模以模拟其力学特性。三种类型的节点为：腹板螺栓铰接节点；顶底角钢腹板双角钢半刚性节点；栓焊刚性节点。在连续倒塌的大变形阶段，拉结效应有着重要的作用，应在模型中予以计算。基于组件法原理建立的节点模型可以考虑节点在承受较大拉力时的力学特性。 （2）基于组件法建模基本理论，运用商用有限元软件LS-DYNA，对于三种不同节点类型的双跨梁柱子结构的抗连续倒塌能力进行了研究。对比分析结果，表明组件简化模型在不同节点类型的梁柱子结构连续倒塌分析中，效果良好。在此基础上，进一步研究了子结构由于中柱失效引起的子结构中悬链线抗力机制。可以证明，悬链线作用的发挥可以提高框架结构的抗连续倒塌能力。 （3）阐述了空间钢框架组件法建模的基本方法，运用该方法进一步建立了两个四层空间钢框架简化模型，进行了钢框架连续倒塌鲁棒性分析，考虑了顶底角钢腹板双角钢节点和栓焊连接节点的非线性以及节点的失效。对两个空间钢框架的连续倒塌分析结果予以对比，研究了不同节点类型的钢框架的抗连续倒塌能力。

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摘 要

Abstract

1. 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 国内外学者研究状况

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究状况

1.3 连续倒塌设计标准

1.3.1 规范概况

1.3.2 连续倒塌的判定准则

1.4 本文研究方法与研究内容

2. 钢框架结构的组件法简化建模理论

2.1 钢结构连续倒塌分析中简化建模的必要性

2.2 组件法简化建模介绍

2.3 腹板螺栓铰接节点组件法简化建模原理

2.4 顶底角钢腹板双角钢半刚性节点的组件法建模原理

2.4.1 半刚性节点组件法研究概况

2.4.2 顶底角钢腹板双角钢半刚性节点的组件法简化建模理论

2.5 栓焊刚性节点的组件法建模原理

2.6 梁柱节点域的简化

2.7 本章小节

组件法理论在连续倒塌子结构研究中的应用

3.1 LS-DYNA程序的相关说明

3.2 钢框架连续倒塌子结构的选取

3.3 铰接节点梁柱子结构组件法建模及试验分析

3.3.1 铰接节点梁柱子结构试验描述

3.3.2 铰接节点梁柱子结构组件法建模相关参数计算

3.3.3 铰接节点子结构组件有限元建模与试验对比分析

3.4 半刚性节点梁柱子结构的组件法建模与试验分析

3.4.1 半刚性节点梁柱子结构的试验描述

3.4.2 半刚性节点组件法建模相关参数计算

3.4.3 半刚性节点子结构有限元建模与试验分析对比

3.5 刚性节点梁柱子结构组件法建模与试验分析

3.5.1 栓焊节点子结构的试验描述

3.5.2 栓焊节点的简化以及各组件参数计算

3.5.3 栓焊节点子结构有限元分析建模与试验的对比

3.6双跨梁柱子结构的悬链线效应分析

3.6.1悬链线机制介绍

3.6.2 梁机制与悬链线机制在不同类型子结构中的发展

3.7 本章小节

4. 基于简化建模的空间钢框架连续倒塌鲁棒性研究

4.1 结构连续倒塌鲁棒性介绍

4.2 基于瞬间拆柱法和Pushdown的结构鲁棒性评价方法

4.3 研究的空间框架结构对象的设计及描述

4.4 基于组件法建模的空间钢框架连续倒塌鲁棒性分析

4.4.1 空间钢框架的有限元分析模型的建立

4.4.2 栓焊连接空间钢框架的鲁棒性分析

4.4.3 半刚性连接空间钢框架的鲁棒性分析

4.5 本章小节

5. 总结与展望

5.1 本文主要研究工作以及结论

5.2 对后续工作的建议与展望

参考文献

致谢