考虑悬链线机制RC框架结构抗连续倒塌能力研究

发布时间：2020-07-30 10:56

【摘要】：建筑结构在其使用过程中,极可能遭遇极端荷载,如地震、爆炸、冲击,不可避免地造成建筑结构局部损伤或者破坏,从而极可能导致大规模结构破坏或连续倒塌的连锁反应,如英国的Ronan Point公寓和美国的世界贸易中心。目前普通建筑结构一般不采用抗连续倒塌设计,且国内外对三维RC框架结构抗连续倒塌机理研究甚少。已有的试验研究和理论分析表明:抗连续倒塌机制由梁机制发展至空腹桁架机制,最后发展至材料强非线性以及几何大变形的悬链线机制。然而现有模型未能很好的考虑悬链线机制。本文研究的目的是通过试验与数值分析相结合的方法,研究RC框架结构竖向连续倒塌破坏机理,揭示RC框架结构竖向连续倒塌强非线性反应的特征和规律,为RC框架结构抗连续倒塌设计提供理论依据,发展RC框架结构竖向连续倒塌的模拟方法,开发一种可以考虑悬链线机制的抗连续倒塌分析模型。主要工作包括:(1)以漩口中学教学楼为原型结构,设计了3个单层2×2跨1/3缩尺模型。包括2个带楼板子结构和1个纯框架子结构。通过拟静力加载试验研究RC框架结构在拆除中柱状态下的连续倒塌破坏过程,分析了子结构的力-位移关系受力机理和关键截面的应变发展规律。(2)对比分析了带楼板子结构与纯框架子结构试验结果,考虑楼板与纯框架相比,梁机制峰值承载力提高了145%,悬链线机制峰值承载力提高了75%。楼板显著提高了梁机制和悬链机制的承载能力,提高了结构的抗连续倒塌能力。(3)研究了板厚对结构抗连续倒塌能力的影响,增加板厚会导致楼板刚度大大增加,增加了梁板“压拱效应”,极大提高了梁机制承载力,然而大变形下梁板开始不协同作用,板发生冲切破坏,降低了悬链线阶段的承载力和延性。(4)利用OpenSees平台,开发出一种考虑悬链机制RC框架结构连续倒塌分析模型:基于共旋坐标法的力插值纤维单元。基于共旋坐标法的力插值纤维单元的优点是在坐标转换中考虑几何非线性,在局部坐标系内考虑材料非线性,从而实现单元中材料非线性和几何非线性完全分开考虑。经过两个算例的验证,证明本文开发的连续倒塌分析模型能够较准确的模拟RC框架结构连续倒塌的梁机制和悬链机制,梁机制阶段主要是材料非线性起控制作用,悬链线机制阶段主要是几何非线性起控制作用。
【学位授予单位】：中国地震局工程力学研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU375.4
【图文】：

规范制订,倒塌事故,时间顺序

.1 研究背景结构发生连续倒塌可能是由不同的荷载引起，如爆炸，地震或者其他极端意外载。根据这种过载原因，学者们对连续倒塌有着不同的解释。但是，结构的连续塌是一种极端现象，其发生原因是从初始的局部破坏部分牵连至其他部分，最终致整个结构的损伤或不成比例的破坏。一些学者将“连续倒塌”和“不成比例倒塌行区分，连续倒塌是由于结构相对较小部分的损伤或破坏引起结构的全部或大分破坏，不成比例倒塌是与起因不成比例的结构性倒塌(Nair,2004)。《建筑结构倒塌设计规范》(CECS392-2014)中对连续倒塌的定义为：由初始的局部破坏，从件到构件扩展，最终导致一部分结构倒塌或整个结构倒塌。连续倒塌是一种灾难的结构失效机制。在进行结构设计时，一般不考虑导致结构倒塌的极端荷载。所，连续倒塌事故的发生往往伴随着严重的生命财产损失和社会影响(李易,2011)结构抗连续倒塌研究需要与连续倒塌案例相结合，案例在事故分析后能发现构在抗连续倒塌设计中的不足，是抗连续倒塌研究中最为宝贵的资料。历史上共三次重大连续倒塌事故，从而抗连续倒塌也成为了现今研究新热点，见图 1-1下是连续倒塌的案例(李易, 2011)：

公寓大楼

中国地震局工程力学研究所硕士学位论文楼板由墙体支撑。然而，墙体和楼板之间连接并没有任何可使荷载重分配的荷载径，导致结构发生连续倒塌。自该事故以来，英国及其他国家政府开始要求结构有整体性，有助于内力重分配。例如，英国要求预制混凝土结构需要对连接部分行加筋现浇，这样就可提供一个可替代的荷载路径，或者特定的局部阻力用以承偶然荷载(Orton,2007)。整体性，有助于内力重分配。例如，英国要求预制混凝结构需要对连接部分进行加筋现浇，这样就可提供一个可替代的荷载路径，或者定的局部阻力用以承受偶然荷载(Orton, 2007)。

实景,倒塌事故,五角大楼,立柱

图 1-3 Murrah 大楼倒塌实景图 1-4 Murrah 大楼倒塌模拟图 1-5 Murrah 大楼立面图1.1.3 911 事件倒塌事故五角大楼与世贸双塔在 2001 年 9 月 11 日分别遭遇飞机碰撞，由于世贸大楼为钢结构，受上部结构塌落冲击和飞机燃油起火导致重大连续倒塌事故，致 2996人死亡。五角大楼首层 30 根立柱被撞毁，20 根立柱遭遇不同程度损伤，形成约长 23米，宽 70 米从第一层到第二层的通道。即使在一楼立柱遭到如此严重的破坏的情

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