RC框架结构水平向连续倒塌试验和设计理论研究

Existing studies on progressive collapse (PC) of reinforced concrete (RC) frame structures mainly focus on vertical PC mode. However, horizontal PC induced by failure of vertical structure members could lead to widespread propagation of collapse. But research on horizontal PC of RC frame strutures is still lacking at home and abroad. This project proposes a series of studies on horizontal PC of RC frame structures, including horizontal PC mechanism, lateral resistance and deformation demand of vertical members and horizontal PC resisting method, via experiment study, theoretical analysis and numerical simulation. The main researches are as follows: 1) study failure and resistance mechanism of horizontal PC of RC frame structures via experiments of substructures. 2) study the effect of key parameters of structures on PC resistance mechanism of RC frame structures. 3) energy based theoretical model for resistance and deformation demand of horizontal PC. 4) propose horizontal PC design method and relevant detail requirement based on experimental and theoretical study. Through the above works, this study will illustrate the PC mechanism of RC frame structures and improve the theory and design method for PC of RC frame structures.

现有RC框架结构的连续倒塌研究和设计方法主要针对竖向连续倒塌模式，但因竖向构件水平向抗侧能力不足而引起的水平向连续倒塌模式会引起破坏在更大范围内传播，然而目前国内外还未针对RC框架结构水平向连续倒塌问题展开研究。本项目针对RC框架结构水平向连续倒塌问题，通过试验研究、理论分析和数值模拟的方法，对其倒塌机制、竖向构件的侧向抗力和变形能力需求、以及水平向抗连续倒塌措施进行全面系统的研究，研究内容包括：1）通过RC框架子结构的水平向连续倒塌试验，研究RC框架结构水平向连续倒塌的破坏机理及其合理的抗水平连续倒塌机制；2）研究关键参数对RC框架结构抗水平向连续倒塌机制的影响；3）基于能量方法建立水平连续倒塌抗力和变形需求的理论模型；4）基于试验和理论研究，提出抗水平向连续倒塌的设计方法及其相关构造措施。通过本项目研究，揭示RC框架结构水平向连续倒塌的机理，进一步完善RC框架抗连续倒塌设计理论和方法。

建筑结构的连续倒塌造成严重的生命和财产损失。连续倒塌可以沿结构系统的竖向或水平向传播或是同时在两个方向传播，水平向连续倒塌通常由竖向连续倒塌诱发且与之共同作用。目前科学研究和工程设计集中解决最基本的竖向连续倒塌问题，尚未对水平连续倒塌问题展开研究。但是水平向连续倒塌会引起破坏在更大范围内传播，进而造成更加严重的损失。本项目针对RC 框架结构水平向连续倒塌问题，通过试验研究、理论分析和数值模拟的方法，对其倒塌机理、结构倒塌抗力需求以及设计方法进行了系统的研究。主要研究工作如下：.(1)设计开展了6个不同边界和受力条件的RC 框架子结构试件的水平向连续倒塌试验。通过分析试件在加载过程中的倒塌抗力、材料应变和构件损伤的发展，研究了RC 框架结构水平向连续倒塌的破坏机理。研究表明RC框架水平连续倒塌的破坏模式是梁两端和柱底端发生严重的塑性破坏，框架形成机构而发生局部倒塌破坏，进而触发水平向相邻结构部分的后继破坏和倒塌传播。框架柱的抗侧刚度和承载力是影响RC框架水平连续倒塌的关键因素。当多跨框架共同抵抗水平向倒塌时，桁架拱效应可能导致框架柱的受力发展不均更易发生破坏，结构连续倒塌易损性变大。.(2)建立了基于能量的RC框架连续倒塌抗力需求分析的理论框架，能够考虑非线性动力效应对连续倒塌过程中结构内力的影响。基于该方法，分别建立了RC框架在小变形梁机制和大变形悬链线机制下的抗力需求计算公式。采用大量数值算例对其准确性进行了验证。.(3) 建立了RC结构连续倒塌分析的数值模型，并基于这些模型开展了典型RC结构系统的连续倒塌机理分析。基于微观受力分析和变形协调条件，建立了考虑梁板组合作用的RC框架连续倒塌抗力的工程计算方法。提出了一种基于倒塌率的建筑结构连续倒塌易损性评价方法，分析了抗震设计和抗连续倒塌设计对RC框架结构倒塌易损性的影响。这些成果可为RC框架结构的抗连续倒塌工程设计提供重要的参考。