局部火灾下钢管混凝土组合框架连续倒塌机理与设防对策

The project will study the design strategy and progressive collapse mechanism of the composite frames with concrete-filled steel tubular (CFST) columns under local fire scenes. The key technology will be study systematically of the progressive collapse behavior and the design strategy of resisting progressive collapse of the composite frames under vertical loading when the columns can not support the upper structures because of the local fire attack. The detailed researches include several aspects. The experiment and numerical simulation of the multistoried composite frames investigate the critical derformation index, yielding and collapse mechanism of the plannar buildings. The experiment and numerical simulation of the different type composite joints study the influence about the collapse performance of the multistoried composite frames. The multiscale finite element model (FEM) with nonlinear static analysis and dynamic time history analysis will be carried out to simulate the behavior of the spatial composite frames based on the tested data. The design approaches and practical strategies will be presented to resist the progressive collapse of this type of structures. The reasonable critical deformation limitations and possible progressive collapse models should be obtained to design the composite frame structures resisting progressive collapse based on the theory and experimental research. The collaspe mechanism should be described according to the study. The conclusions of this project are significant reference to resist collapse design for the composite frames, and to promote the practical engineering using this type of structures.

本课题研究局部火灾作用下钢管混凝土组合框架的连续倒塌机理及抗倒塌设防对策，考虑局部受火场景情况下可能的框架柱失效工况，对钢管混凝土组合框架结构体系在竖向荷载作用下连续倒塌性能及抗连续倒塌设防中的关键技术问题进行系统研究，包括以确定合理临界变形指标、屈服和倒塌破坏机制而进行的多层多跨钢管混凝土平面框架的倒塌试验及理论模拟、为考察不同节点连接形式对框架倒塌性能的影响而进行的组合节点抗倒塌性能试验及数值模拟、结合试验结果基于多尺度数值建模技术进行空间组合框架结构体系的非线性静力和动力时程分析、钢管混凝土组合框架抗倒塌设防对策与设计实用方法等。通过试验研究和理论分析，得到钢管混凝土组合框架抗连续倒塌设计中合理的临界变形限值和可能的倒塌机制等，明晰其倒塌机理，为进行此类结构抗连续倒塌设计提供依据和工程应用建议，为该类结构的推广应用提供参考。

本课题以研究局部火灾作用下钢管混凝土组合框架的连续倒塌机理及抗倒塌设防对策为目标，考虑局部受火场景情况下可能的框架柱失效工况，对钢管混凝土组合框架结构体系在竖向荷载作用下连续倒塌性能及抗连续倒塌设防中的关键技术问题进行系统研究，包括以确定合理临界变形指标、屈服和倒塌破坏机制而进行的多层多跨钢管混凝土平面框架的倒塌试验及理论模拟、为考察不同节点连接形式对框架倒塌性能的影响而进行的组合节点抗倒塌性能试验及数值模拟、结合试验结果基于多尺度数值建模技术进行空间组合框架结构体系的非线性静力和动力时程分析、钢管混凝土组合框架抗倒塌设防对策与设计实用方法等。研究结果表明，不同火灾场景下，中柱竖向承重构件的受火失效后引起整体结构发生倒塌的概率较大，考虑到框架柱在连续倒塌过程中的关键作用，建议采用《建筑防火设计规范GB50016-2014》中规定的框架柱耐火时间要求作为火灾下的抗连续倒塌时间目标；通过钢管混凝土组合节点/框架倒塌试验研究发现，中柱关键构件失效后，节点核心区钢梁的断裂作为整体结构倒塌破坏的临界状态，由实测承载力-位移关系曲线可知，失效柱上部钢梁的受力机制主要分为梁机制阶段和悬链线机制阶段，钢筋混凝土楼板对整体结构的抗连续倒塌极限承载力影响较大；采用非线性静力和非线性动力分析方法对钢管混凝土框架抗连续性倒塌能力研究发现，由于周边框架提供的拉结作用，节点的抗连续性倒塌能力得到提高，即悬链线机制的发挥与边界条件有关，提高失效节点相邻区域的水平抗侧刚度即提高了结构的鲁棒性，可有效的改善结构的抗连续倒塌能力。通过上述试验研究和理论分析，得到钢管混凝土组合框架抗连续倒塌设计中合理的临界变形限值和可能的倒塌机制等，明晰其倒塌机理，为进行此类结构抗连续倒塌设计提供依据和工程应用建议，为该类结构的推广应用提供参考。