大跨桁梁结构体系的连续性倒塌机理与抗倒塌设计研究

摘要

纽约世贸大楼在“9.11”事件中的倒塌事故不仅惊起了全世界的广泛关注，也警示着工程界学者和技术人员更深层次地思考结构在突发事件下的安全问题。突发事件是非预期性的偶然事件，通常造成结构局部构件的直接破坏，并且可能诱发向整体结构扩大破坏范围的后果。这种连续性的倒塌破坏模式暴露了结构对于抵抗初始局部破坏和连续性破坏的薄弱性，其潜在的危险和隐患是巨大的。考虑到大型公共建筑的安全问题正日趋突出，本文即从具有平面受力特征的大跨桁梁结构体系出发，探讨这类结构的连续性破坏机理、抗倒塌能力和有效的设计方法。 本文选取了大跨钢屋架体系和张弦结构两类典型的桁梁体系进行研究，其中张弦结构是指张弦梁或张弦桁架等现代预应力钢结构。抗倒塌研究时，一方面参照典型的实际工程，采用数值模拟技术考察结构的连续性破坏机理问题；另一方面，根据简化的数学模型分析，提出大跨钢屋架体系的结构安全性能评价方法和张弦结构的抗倒塌设计方法。此外，还针对桁梁结构体系的平面受力特点，研究了檩条等平面外辅助构件的抗倒塌作用和相应的设计方法。 本文的分析研究首先是以结构倒塌过程的数值模拟为基础的，即据此建立结构连续性破坏或倒塌的机理性认识。倒塌过程数值模拟技术涉及结构的大位移大转动、非连续变形和接触碰撞等诸多的复杂力学行为，数值处理难度大，本文探讨了相关的技术难点，并选用著名的显式动力非线性程序LS-DYNA作为本文的数值模拟平台。考虑到该程序的局限，本文自编制了前处理子程序，改进了原梁单元的计算精度，同时就初始局部破坏假定、荷载取值及其组合和倒塌破坏判定依据等相关问题作了探讨。 大跨钢屋架体系的连续性倒塌分析主要考察屋架上、下弦杆和腹杆的初始破坏情况，研究指出：跨中弦杆和跨端斜腹杆的初始破坏对结构内力重分布影响是敏感的，而跨端弦杆对提高连续性破坏抵抗能力则是关键的；结构内力重分布过程的动力效应表现为以初始平衡位置为起点、以新的稳定平衡(如果存在)为中心的振动形式。为便于评价钢屋架体系的抗倒塌性能，本文提出了基于线性静力分析的结构安全性能评价方法。该方法结合现行钢结构设计规范，以识别敏感构件和关键构件为其核心内容，建立了危险性评估、初始分析、敏感性分析和安全评价的四阶段评价流程，并通过工程算例探讨了其适用性。该方法不仅具有概念清晰、操作简单等特点，也可为结构设计或加固方案提供可靠的依据。 张弦结构的连续性倒塌分析主要考察不同位置钢索的初始破断以及撑杆与钢索连接节点的失效情况，研究表明：钢索是张弦结构构成其刚度和承载力的重要环节，钢索的初始破断极易造成结构的整体性垮塌；而在多处撑杆退出工作的情况下，结构也能再次形成有效的张弦体系，并且其振动冲击影响是有限的；钢索超张拉预应力或者结构倾斜放置对张弦结构的连续性倒塌性能影响是可以忽略的。考虑到钢索破断的致命性(也即敏感性)，本文提出了基于托架或者钢梁(或钢桁架)的抗倒塌设计方法。托架抗倒塌设计要求相邻的多榀张弦结构发挥协调作用，由托架为初始破坏结构提供可靠的侧向约束支承，以保证钢梁或钢桁架能够再次形成有效的拱受力机制。钢梁(或钢桁架)抗倒塌设计则是通过提高其截面刚度特别是跨中区域的抗弯承载力，来保证结构不致因过大的弯曲变形或跨中塑性铰而发生整体塌落。 本文还分析了桁梁结构体系平面外辅助构件(如檩条、屋面支撑等)对结构的抗倒塌影响，但没有考虑连接构造的实际受力性能。研究表明：当檩条端部构造接近于铰接特性时，由于桁梁结构体系的平面外薄弱性，由檩条和屋面支撑建立的传力路径难以发挥有效的悬挂机制，即不能起到可靠的抗连续倒塌作用；而当檩条端部为刚接或设有屋架下弦隅撑时，檩条可因弯曲变形而耗能，并借由相邻的平面体系直接向下部结构传递屋面荷载。本文还通过简化的数学模型分析，以檩条端部刚性连接为条件，建立了基于檩条的抗倒塌设计方法。 本文的研究工作是今后桁梁结构体系倒塌控制与抗倒塌设计研究的一个起点，其中建立的分析方法和设计原则具有一定的现实依据，但作为工程应用仍需展开更为深入的研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2结构连续性倒塌研究的主要成果

1.3国内学者的相关研究成果

1.4课题学术思想、研究目标与学术价值

1.5本文的研究工作与章节编排

第2章结构连续性倒塌过程的数值模拟技术

2.1突发事件与结构抗倒塌研究

2.2结构连续性倒塌过程数值模拟的关键技术

2.3LS-DYNA程序及其倒塌数值模拟技术

2.4结构连续性倒塌过程数值模拟的相关问题

第3章大跨钢屋架体系的连续性倒塌分析

3.1本章研究内容

3.2钢屋架平面体系的连续性倒塌分析

3.3钢屋架空间体系的连续性倒塌分析

3.4钢屋架体系倒塌分析的基本结论

第4章大跨钢屋架体系的重分布机制与结构安全评价方法

4.1本章研究内容

4.2钢屋架平面体系的内力重分布机制

4.3内力重分布过程的动力效应研究

4.4钢屋架平面体系的安全性能评价方法

第5章张弦结构的连续性倒塌分析

5.1本章研究内容

5.2张弦梁连续性倒塌的数值分析

5.3张弦桁架连续性倒塌的数值分析

5.4张弦梁空间体系连续性倒塌的数值分析

5.5张弦结构倒塌分析的基本结论

第6章张弦结构的抗倒塌设计方法

6.1本章研究内容

6.2张弦结构的托架抗倒塌设计

6.3张弦结构的钢梁(或钢桁架)抗倒塌设计

6.4桁梁结构体系的檩条抗倒塌设计

第7章结论与展望

7.1主要结论

7.2不足和展望

致谢

参考文献

附录

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果