基于能量原理的钢筋混凝土板柱结构连续倒塌动力效应研究

Progressive collapse of building structures is a nonlinear dynamic process. Accurate assessment of the influence of dynamic effects on the internal force and deformation characteristics of structural systems is a critical issue to be considered for the development of a safe and reliable progressive collapse prevention method. This is also a cutting-edge research in fundamental investigation of progressive collapse behavior and resistance. Existing studies have primarily focused on the dynamic effects of frame structures that exhibit a ductile damage mechanism in progressive collapse. For reinforced concrete (RC) flat plate structures which are vulnerable to brittle and fragile damage, on the other hand, their dynamic effects are quite distinctive. Therefore, evaluating the dynamic effects of merely ductile frame structures is unable to provide a comprehensive understanding of fundamental characteristics of progressive collapse. In this project, the dynamic effects associated with progressive collapse of non-ductile structures, prototyped as RC flat plates, will be studied based on the work-energy principle. Three major areas will be thoroughly investigated: (1) Experimental investigation of dynamic punching shear mechanisms of slab-column joints and collapse-resistant mechanisms of substructures via a series of dynamic collapse tests. Establish analytical models of collapse resistance and energy dissipation of the joints and the substructures. (2) Numerical study of collapse mechanisms and dissipated energy distributions of the entire structural systems. Establish a simplified structural collapse resistance model. (3) Using the energy-based theoretical framework, establish theoretical models of dynamic effects in progressive collapse of flat plates at both structural and element levels. The project outcomes are expected to broaden and deepen the existing theoretical framework and knowledge base of progressive collapse of building structures. This is expected ultimately to provide a reliable scientific reference for practical design to prevent progressive collapse of RC flat plate structures.

建筑结构的连续倒塌是非线性动力过程,准确评估动力效应对结构内力和变形的影响是建立安全可靠抗连续倒塌设计方法的关键,也是当前连续倒塌基础理论研究的前沿。现有研究集中在以延性破坏为主的框架结构,而以板柱结构为代表的、倒塌过程中含脆性破坏的结构其连续倒塌动力效应存在显著区别,集中研究延性框架结构不能全面理解连续倒塌本质。本课题以板柱结构为原型,采用能量方法对其连续倒塌动力效应进行研究。主要内容有:(1)通过动力倒塌试验研究节点的动力冲剪机理和子结构的抗倒塌机制,建立节点和子结构的倒塌抗力/耗能模型;(2)通过数值方法研究板柱结构整体系统的动力连续倒塌机理及耗能分布规律,建立简化的结构抗力模型;(3)采用基于能量的连续倒塌分析的理论框架,分别在结构和构件层次建立板柱结构连续倒塌动力效应的理论模型。通过本课题研究,推动建筑结构连续倒塌基本理论体系发展,为板柱结构抗连续倒塌设计提供可靠的科学依据。

板柱结构在意外灾害作用下的连续倒塌造成了严重的生命和财产损失。节点脆性冲剪破坏是板柱结构系统极易触发连续倒塌的主要原因。以往针对无约束节点冲剪破坏的研究没有揭示节点在冲剪破坏后的大变形受力行为，针对子结构的研究没有考虑冲剪破坏的传播过程，因而无法为板柱结构系统抗连续倒塌工程设计提供参考。本项目对板柱结构的连续倒塌问题开展了系列研究工作，主要内容包括约束板柱节点、板柱结构系统两大部分。.在节点研究方面：对14个面内约束的板柱节点开展了冲剪全过程试验，分析了不同冲剪方向和结构参数对板柱节点小变形下的冲剪和大变形下的冲剪后的变形和承载力的影响，发现约束节点的冲剪承载力主要由楼板的混凝土强度和几何尺寸控制，而冲剪后承载力主要由穿柱钢筋控制，通过暗梁、箍筋和环梁措施能够约束穿柱钢筋从而有效的提高冲剪后承载力。建立了模拟节点冲剪全过程的精细有限元模型，完成对了上述试件的钢筋受力机理分析。在此基础上，提出了节点冲剪破坏后的倒塌抗力理论计算模型，并和试验结果进行了计算验证。.在板柱结构系统研究方面：对5个板柱子结构开展了连续倒塌静力和动力试验，并结合精细有限元模型对其受力机理进行深入的分析。研究发现了初始冲剪破坏方向对子结构系统冲剪破坏前的刚度和承载力影响显著，而在冲剪破坏后仅影响试件的刚度、不影响抗连续倒塌承载力。节点破坏下穿柱钢筋可以发挥悬挂机制因此可以显著提升结构系统抗连续倒塌承载力。动力效应导致周边柱内力重分布的轴力显著增加，连续破坏从边中柱扩展到角柱。对节点受力和子结构的理论受力计算表明，由于结构系统中受拉膜力的影响，节点冲剪承载力比现有理论值显著降低，楼板在小变形下的受压薄膜和大变形下的受拉薄膜效应明显。研发了模拟板柱节点冲剪全过程的高效节点数值模型，并采用此模型对整体板柱结构系统的动力连续倒塌响应和动力放大系数进行了研究。.相关研究成果可以为建立板柱结构抗连续倒塌工程设计方法提供可靠的试验数据、数值分析手段和理论计算方法。