典型既有钢框架结构节点动态抗倒塌性能与对策研究

近年来，建筑结构抵抗爆炸、冲击和火灾等极端灾害的能力越来越引起人们的关注。爆炸和冲击等突发事件引起的灾害表明，目前的各类建筑结构均缺乏抵抗此类极端灾害能力。因为在极端灾害作用下，结构产生非线性大变形，且不断积累损伤，如结构薄弱部位或关键构件失效，可能引起周边构件的破坏，进而导致结构整体或局部的倒塌，结构的倒塌将造成人员生命财产的重大损失。当关键构件，如柱子失效时，需要通过节点形成的悬链线效应来实现结构内力重分布，使结构具有良好的跨越能力，才能避免结构发生连续倒塌。结构是否具有良好的抗连续倒塌能力，主要取决于节点的整体牢固性，即鲁棒性。然而目前钢结构设计规范未考虑节点在极端灾害下的抗倒塌能力设计，既有钢框架结构节点的抗连续倒塌能力尚不清楚，对典型既有钢框架结构节点进行动态抗倒塌能力研究，对提高结构在极端灾害下的抗倒塌能力和采取有效措施提高结构抗倒塌能力具有重要理论意义和工程实用价值。

由于典型既有钢框架结构的抗连续倒塌性能评估和加固设计的需要，确定合理的评估方法和有效的提高钢框架结构在极端灾害下的抗倒塌能力方法具有重要理论意义和工程实用价值。针对目前此方面研究基本处于空白的状况，本项目重点研究了冲击荷载作用下钢框架结构典型节点的抗冲击性能及钢框架结构的抗倒塌、抗冲击设计方法。具体的研究内容包括：（1）利用落锤冲击试验机和一种可实现落锤拉伸冲击试验的转换装置研究了钢材动态轴向拉伸性能及对接焊缝和角焊缝的落锤冲击试验。分析不同加载速度下钢材的强度、伸长率和断面收缩率等动态力学性能，以及对接焊缝和角焊缝的动态强度、冲击韧性和失效应变等动态力学性能指标；（2）利用落锤冲击实验机揭示了约束钢梁和典型既有钢框架结构节点（钢框架全焊接、螺栓连接、栓焊混合连接及翼缘加强型和狗骨式节点）及考虑楼板组合效应节点在落锤冲击荷载作用下的抗连续倒塌性能。研究钢梁成型方式、梁翼缘宽厚比、节点连接方式、节点构造形式、冲击能量等参数对承载能力、破坏形态、变形性能以及能量耗散等指标的影响，找出可以提高钢框架结构抗冲击性能的影响因素；（3）利用ABAQUS软件建立了冲击荷载作用下约束钢梁和典型钢框架结构节点的有限元模型，运用试验结果验证了模型的准确性，分析约束钢梁和钢框架节点子结构在高度非线性、大变形和应变率效应影响下塑性铰截面内力发展情况及悬索机构形成机理；（4）基于能量法结合试验和理论分析结果分析了钢框架节点在柱失效后悬链线效应的形成机理和荷载路径的转换机制，研究了节点抗连续倒塌性能对节点延性和耗能的要求。