钢--混凝土组合框架结构倒塌动力性能研究

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建筑结构中的承重构件在遭受撞击、火灾、爆炸等偶然作用下可能发生局部失效,进而引发结构整体的连续倒塌破坏。近年来,钢-混凝土组合框架由于较好发挥了钢材的受拉性能和混凝土的受压性能,在高层建筑和大跨空间结构上的应用逐渐增多,但因其竖向承重构件的承载面积较大,失效后引发连续倒塌破坏的风险会高于普通框架结构。因此,为了提高组合框架结构的可靠度,有必要对钢-混凝土组合框架展开竖向承重构件失效后的抗连续倒塌性能研究。
  目前,针对钢-混凝土组合框架抗倒塌性能的研究方法主要为非线性静力分析,采用非线性动力分析方法的研究较少。研究采用的梁柱子结构模型通常忽略了其在整体框架中的受力特点,所得试验结果误差较大,不利于工程应用。为此,本文考虑子结构模型在原型结构中的受力特点,对钢-混凝土组合框架在中柱失效后的动态受力性能进行了试验研究和有限元模拟研究,主要研究内容包括:
  1)完成了2个平面单层双跨的钢-混凝土组合框架子结构的动态抽柱试验,研究分析了组合框架中柱失效后的破坏形态、受力响应特征、频谱曲线等,比较了梁上配重和抗剪连接件类型对框架抗倒塌性能的影响。分析结果表明,梁上配重荷载会显著影响框架的动力响应,开孔板抗剪连接会增大组合框架的初始刚度,可提高结构的抗倒塌性能。
  2)采用ANSYS/LS-DYNA建立了11个钢-混凝土组合框架子结构有限元模型,采用瞬时加载法模拟中柱的突然失效,考察了各设计参数对组合框架动态受力性能的影响。分析结果表明,组合梁的跨高比、水平纵向约束、板中纵筋配筋率、栓钉纵向间距、混凝土翼板宽度会显著影响组合框架的倒塌动力性能;当以塑性铰破坏机制评估组合框架的静态极限荷载时,可乘以1.02~1.17的修正系数以考虑结构的非线性动力倒塌特性。
  3)建立了3个足尺的四跨平面钢-混凝土组合框架有限元模型,设置了弹性和弹塑性两个加载工况,分析层数对组合框架结构倒塌动力性能的影响,并确定组合框架中柱失效后的主要影响区域和传力机制。研究结果表明,层数的增加对结构的抗倒塌性能较为有利;剩余结构的直接影响区只在同一楼层之间进行内力重分配,该区主要受力构件的内力会大幅增加,抗倒塌设计时应增大其承载力储备。
  本文的研究工作可为钢-混凝土组合框架结构的抗连续倒塌设计提供参考和依据。
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