预应力混凝土框架结构连续倒塌性能研究

Failure of partial load bearing members in buildings due to occasional loads, such as explosion and impact, could trigger progressive collapse of overall structures. As prestressed concrete frames are usually used in long span and large column grid structures, the collapse risk is more higher for them once local damage occurs. However, progressive collapse performance of prestressed concrete frame structures is poorly studied now. In view of the exiting problem mentioned above, this project aims to investigate failure patterns and collapse mechanism of prestressed concrete frame structures by static and dynamic tests. Influence of prestress action modes, prestress degree, as well as construction methods on progressive collapse performance of prestressed concrete frame structures is to be discussed. In addition, contribution of components such as frame beams and slabs to the collapse resistance will be evaluated. Based on the experimental study, calculation models of working mechanisms against collapse will be built by numerical and theoretical analysis. Effect of prestress loss during collapse of structures on the collapse resistance and vulnerability of prestressed concrete frame structures with different design parameters are to be discussed. Finally, design methods and suggestions meeting safety reliability of engineering are to be proposed. The project could complete the theoretical system of prestressed concrete frame structures for collapse design, which possess great engineering significance and academic value.

碰撞、爆炸等偶然荷载可能导致结构中部分承重构件失效，并触发结构的整体连续倒塌破坏。由于预应力混凝土框架多用于大跨度、大柱网结构，在产生局部损伤后发生结构整体连续倒塌破坏的风险较高，而目前针对预应力混凝土框架结构连续倒塌性能的研究较少。针对存在的问题，本项目拟通过对预应力混凝土框架结构模型开展静力和动力倒塌试验，研究其倒塌破坏模式和倒塌机理，分析预应力作用方式、预应力度、施工工艺等对结构连续倒塌性能的影响，评估梁、板等构件对结构整体抗倒塌承载力的贡献。在此基础上，通过数值和理论分析建立主要抗倒塌工作机制的计算模型，评估倒塌过程中预应力损失对结构抗倒塌承载力的影响，并对不同设计参数的预应力混凝土框架结构展开倒塌易损性分析。最后，提出满足工程安全可靠度要求的抗倒塌实用设计方法和建议。本项目的开展可以完善预应力混凝土框架结构的抗倒塌设计理论体系，具有重要的工程意义和科研价值。

碰撞、爆炸等偶然荷载可能导致结构中部分承重构件失效，并触发结构的整体连续倒塌破坏。由于预应力混凝土框架多用于大跨度、大柱网结构，在产生局部损伤后发生结构整体连续倒塌破坏的风险较高。针对存在的问题，本项目采用试验研究、数值计算和理论分析的方法对预应力混凝土框架结构的连续倒塌性能开展了系统的研究。首先，对7个预应力混凝土框架梁试件开展了动、静力倒塌试验，研究了预应力、预应力作用形式以及框架梁的跨高比等参数对预应力混凝土框架梁倒塌性能的影响。在此基础上，优化设计了5个预应力混凝土框架梁柱子结构试件，通过倒塌试验研究了预应力混凝土框架结构的倒塌破坏过程、倒塌破坏形态和抗倒塌工作机制。此外，对6个预制装配式混凝土框架子结构的倒塌性能也开展了试验研究，考察了预应力、预制节段的拼接位置对装配式混凝土框架连续倒塌性能的影响。在试验研究的基础上，利用ABAQUS软件对预应力混凝土框架结构的倒塌性能展开了参数分析，量化评估了不同设计参数对预应力混凝土框架结构倒塌性能的影响；同时，利用LS-DYNA软件分析了预应力混凝土框架结构的动态倒塌响应。研究表明，预应力对于提高框架结构的抗倒塌承载能力作用明显；悬链线工作机制是结构在倒塌破坏过程中的一种主要抗力机制；梁的跨高比、预应力作用形式等对现浇混凝土框架结构的连续倒塌性能影响显著；而预应力、预制装配节段拼接位置对装配式混凝土框架结构的倒塌性能影响更为明显；在进行预应力混凝土框架结构的抗倒塌设计时应考虑倒塌荷载的动力冲击作用。基于试验和数值计算，探讨了适用于预应力混凝土框架结构的抗倒塌承载力简化计算模型，建立了开展静力倒塌分析时倒塌荷载动力增大系数DIF的计算模型，并提出了结构的抗倒塌设计建议和构造措施。本项目的研究成果可为预应力混凝土框架结构的抗倒塌设计提供参考和依据。