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建筑物的连续倒塌可以概括为在正常使用条件下由于偶然事件导致结构发生局部破坏,这种破坏从结构初始破坏位置沿构件进行传递,最终导致大面积坍塌或整个结构的倒塌,它的主要特点是初始破坏程度与最终的破坏结果不成比例以及倒塌过程具有连续性。
随着经济的发展,钢结构在土木工程中的应用越来越普遍,其中很多为钢框架结构。虽然目前钢框架结构在正常使用荷载作用下的设计已经比较成熟,但对在偶然荷载作用下的抗连续倒塌设计还不完善,而结构的连续倒塌往往导致严重的人员伤亡和巨大的经济损失,一些安全等级要求较高或容易遭受偶然荷载作用的钢框架结构的抗连续倒塌能力显得尤为重要。本文即在这种背景下展开对钢框架结构的连续倒塌课题的研究。
本文对2个2层空间钢框架模型进行了拟静力试验研究,通过观测试验模型在倒塌破坏过程中的受力和变形情况,揭示了钢框架结构的倒塌破坏过程和受力特点。钢框架结构在倒塌过程中主要经历了弹性阶段、塑性阶段、悬链线阶段和倒塌破坏阶段;在受力方面,主要经历了以受弯为主的受力方式到以受拉为主的受力方式的转变。
采用气缸作为失效激发装置模拟框架柱瞬间失效,对3个平面钢框架模型进行了模拟“抽柱法”的动力试验研究。通过高速摄像机观测整个试验过程,揭示钢框架结构在瞬时动力作用下的破坏过程和受力特点。钢框架结构在瞬时动力作用下的破坏过程和受力方式的转变与拟静力试验中结构破坏过程和受力方式的转变基本相同。有限元分析对试验过程的模拟结果显示,在对钢框架结构进行连续倒塌分析时,应考虑材料的应变率效应。
基于动力试验模型,对结构连续倒塌分析时的动力效应系数进行研究。研究结果表明,结构的动力效应系数随荷载布置位置、结构形式等因素变化。基于能量守恒原理,提出结构连续倒塌分析中的动力效应系数取值方法。通过考察材料应变率效应、动力效应影响区域、失效位置和空间效应等因素的影响,对本文提出的动力效应系数取值方法的准确性进行验证。
节点的受力对结构连续倒塌分析结果影响很大,采用梁柱理想刚接的杆系模型进行结构连续倒塌分析会产生较大的误差,本文采用节点机械模型模拟节点的受力。依据已有的节点试验模型,对H型梁柱全焊接刚性连接节点的机械模型进行了研究。通过对已有节点机械模型进行修正以考虑框架梁轴拉力对节点受力的影响,并对将节点机械模型用于结构连续倒塌分析中的可行性和准确性进行了验证,提出了H型钢梁和H型钢柱弱轴方向连接节点的机械模型和计算方法。
针对抽柱法进行结构连续倒塌分析时,需要确定抽柱位置和失效时间,本文提出了钢框架结构的关键杆件判别指标和分析方法,并对其正确性进行了验证;通过对平面钢框架结构在不同失效时间下的动力效应比较,提出钢框架结构连续倒塌分析时的失效时间取值方法。
基于理论和试验方面的研究成果,参照GSA规范中的评估方法,提出了钢框架连续倒塌设计评估的流程。采用三种分析方法对一个5跨6层平面钢框架模型进行连续倒塌分析,结果表明结构的动力和静力非线性分析结果基本一致,而GSA规范中的静力线弹性分析法偏保守。