钢框架-组合楼板结构的落层冲击倒塌机理研究

After the progressive collapse of the Worde Trade Center caused by aircraft impact in "9-11" event, the research studies about progressive collapse of high-rise buildings become quite hot. However, in the recent research studies about progressive collapse, the Domino collapse mechanism considering falling floor impact has not been studied well and the simplified assessment method about progressive collapse robustness of building structures should be improved. This project will focus on the progressive collapse mechanism considering falling floor impact effect. The research work will be conducted through "experimental tests--finite element simulation and parametric study--theoretical model establishment". A new experimental test method about falling floor impact effect during progressive collapse procedure will be proposed. The impact dynamic responses under extreme loads will be obtained. The progressive collapse mechanism due to falling floor impact will be clarified and the force transfer mechanism under falling floor impact will be investigated. A theoretical calculation method about steel-concrete composite frame structures considering falling floor impact will be proposed and finally the traditional assessment method about progressive collapse robustness of building structures will be improved. This project can provide the theoretical basement for drafting the related structure design codes and for the structural behaviour improvement of composite steel building structures against progressive collapse in our country.

9-11事件世贸大厦遭到飞机撞击而发生连续倒塌后，多高层建筑的抗连续倒塌研究已成为近期建筑结构研究的热点，但是在现阶段的研究中，由落层冲击导致的建筑结构连续倒塌机理尚不明确，结构体系抗连续倒塌鲁棒性能评估方法有待深入研究。申请人拟以钢框架-组合楼板结构落层冲击倒塌机理研究为切入点，以“试验研究—数值模拟及影响参数分析—构建理论计算模型”的研究方法为手段，探索一种能真实反映结构在极端荷载情况下发生落层冲击直至最后倒塌过程的试验方法，系统研究钢框架-组合楼板体系受落层冲击荷载作用时的动态响应，阐明钢框架-组合楼板结构在柱突然失效情况下的倒塌过程及机理，提出一种钢框架-组合楼板结构落层冲击理论计算方法，最终改进传统的抗连续倒塌鲁棒性能评估方法。项目研究成果可以为提高我国多高层钢框架-组合楼板结构建筑抗连续倒塌鲁棒性能和编制相关设计规范提供理论依据。

建筑结构一旦发生连续倒塌，通常会造成重大的人员伤亡及财产损失。多起典型的倒塌事件表明，落层冲击是导致结构最终发生垮塌的重要原因。因此，研究结构的抗落层冲击性能具有重要的现实意义。课题组完成了10个平面钢框架和6个平面组合框架子结构冲击试验，试件中采用了5种不同的梁柱连接形式，包括栓焊混合连接、狗骨式连接、剪力板连接、平端板反向槽钢连接以及外伸端板反向槽钢连接，冲击位置包括跨中冲击和梁端冲击。基于试验数据，将试件抵抗冲击荷载的过程分为3个阶段，在阶段1，试件主要通过惯性效应抵抗冲击力，在阶段2和阶段3，试件主要通过承载力抵抗冲击力。基于试件的变形和内力给出了跨中和梁端冲击作用下的荷载抵抗机理，发现弯曲效应是结构抵抗跨中荷载作用的主要方式，悬链线效应仅在大变形阶段可以有效提供承载力。将冲击荷载作用位置由跨中改为梁端后，各试件的承载力提高而变形能力下降。试件在跨中冲击作用下表现出弯曲或受拉破坏模式，而在梁端冲击作用下表现出剪切破坏模式。提出了适用于常温准静态、高温及高速条件下的建筑结构用钢延性断裂模型，并通过开展的Q355、Q690以及8.8级高强螺栓的断裂试验对模型的适用性进行了验证。利用ANSYS/LS-DYNA建立了冲击试验中16个试件的有限元模型并准确模拟了冲击试验过程。随后，基于经验证的有限元模型开展了大量参数化分析。结果表明，相比于纯钢框架，组合板的存在可以使结构的能量吸收能力提高13%~30%。组合板中混凝土的强度或厚度、压型钢板厚度、纵筋配筋率以及组合结构抗剪连接强度的提高均有利于结构抵抗冲击荷载。结构跨高比的增加会增大失效位移，降低最大承载力和能量吸收能力。最后，以冲击过程中的能量转化关系为基础，基于能量守恒和荷载抵抗机理，考虑大变形情况下轴向拉力与弯矩的相互作用关系及符合塑性流动法则的变形增量与内力增量关系，提出了一种易于工程实践中使用的钢框架-组合楼板结构抗冲击性能简化计算方法。