钢筋混凝土板柱结构抗倒塌性能研究中文摘要

钢筋混凝土板柱结构是仓库、住宅、车库、办公楼等建筑常用的结构形式之一，但板柱节点的冲切破坏构成板柱结构的薄弱环节。地震震害和工程事故表明，这一薄弱环节有可能导致板柱结构在偶然荷载下发生连续倒塌破坏。本项目在结构体系综合防灾的背景下，以避免钢筋混凝土板柱结构连续倒塌破坏为目标，设计钢筋混凝土板柱结构模型和延性板柱节点试验方案，分别考虑结构底层柱破坏和节点破坏可能导致的结构连续倒塌。引入约束混凝土的概念，设计延性板柱节点及试验方案。通过提高板柱节点延性，实现提高钢筋混凝土板柱结构整体抗倒塌性能的目的。在试验研究的基础上，分析底层柱或板柱节点失效后，荷载传递路径的变化，提出简化的板柱结构抗倒塌分析方法。采用马尔科夫链随机模型，引入区间变量，分析板柱结构体系的失效概率，并以此为基础，结合钢筋混凝土板柱结构抗震设计的构造措施，提出钢筋混凝土板柱结构抗倒塌设计的基本框架。

板柱结构体系是常用的建筑结构形式，因具有良好的经济效益得到广泛应用。地震震害和工程事故表明，板柱节点冲切破坏是导致其连续倒塌破坏的潜在危险因素。本项目以避免板柱结构连续倒塌破坏为目标，设计模型和延性节点试验，分别考虑底层柱和节点破坏可能导致的连续倒塌，为完善板柱结构抗连续倒塌设计提供参考。项目完成的主要研究如下: 1.采用拟静力试验方法模拟板柱结构底层柱突然失效，基于试验结果研究连续倒塌过程中的破坏过程和受力状态，揭示了结构在底层柱或节点破坏后能够形成新的荷载传递路径和传力机制，板的压力、拉力薄膜作用分别发挥不同程度的作用，在底层柱失效后提供高于屈服线承载力的抗倒塌能力，有限平面刚度提供的压膜作用使得结构极限承载力明显大于塑性铰线值。同时，对关键子结构进行模态试验，结果表明：随混凝土龄期增长，各阶频率也相应增大，温度变化影响较小，依据试验结果和有限元模拟对结构进行参数识别和损伤诊断，为板柱结构的损伤诊断提供参考和依据。 2.完成以有无柱头、混凝土强度等试验变量的22块单向板试验，结果表明：剪跨比对破坏模式具有显著影响，柱头和配筋率对极限承载力的影响随混凝土强度不同而存在差异，提高混凝土强度、配筋率、降低剪跨比能提高极限承载力，并提出能够准确预测无腹筋细长梁抗剪承载力的计算公式。 3.完成16块轴心荷载、轴心和偏心荷载共同作用下的板柱节点试验研究，比较混凝土强度、配筋率等因素对冲切承载力的影响。结果表明：偏载作用下，构件承载力明显降低，临界破坏面呈明显的不对称，提高混凝土强度和配筋率能够提高抗冲切承载力，增大剪跨比构件延性提高，承载力下降，对于混凝土强度较低的构件该效果更加显著。 4.采用ABAQUS和ATENA对板柱结构进行有限元模拟，建立有限元模型并对试验的整个过程进行模拟，针对相关参数进行计算，模拟结果与试验现象吻合良好且具有足够精度，验证了有限元分析对板柱结构抗连续倒塌模拟的可行性。 5.采用拆除构件法对关键子结构进行计算，采用塑性极限荷载法评估框架结构发生初始破坏后的抗连续倒塌能力，据此提出板柱结构抗倒塌设计流程。建立抗冲切试验数据库，基于回归分析方法推导出冲切承载力计算公式，并按照R-F法和蒙特卡洛法对抗力可靠指标进行分析。基于试验和有限元计算的板端塑性转角值，建立板柱结构抗倒塌设计的临界判定标准，提出板柱结构抗倒塌设计的基本框架。 项目后续研

本项目围绕体外预应力结构在极端灾害下的抗倒塌性能展开研究，通过静力试验手段和理论分析方法，开展了体外预应力钢筋混凝土框架在关键柱失效后的抗倒塌性能研究，主要的研究工作如下：（1）通过对单层双跨体外预应力钢筋混凝土模型框架进行静力倒塌实验，分析了框架在局部竖向构件失效后的受力机制与悬链线作用机理，并对比了框架在预应力筋加固前后破坏形态与极限承载力的变化。研究结果表明：中柱失效后，体外预应力钢筋混凝土框架的连续倒塌过程分为4个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段、受压混凝土破坏阶段和悬链线作用阶段，结构主要通过压拱机制和悬链线机制进行内力重分配。悬链线机制提供的抗力由侧向约束的刚度和强度决定，当柱对梁提供的水平约束不足时，框架的倒塌抗力随竖向位移的增大而不断下降。体外预应力筋可提高框架的开裂荷载、压拱作用阶段的峰值荷载以及悬链线作用阶段的极限荷载；（2）进行了体外预应力钢筋混凝土框架的数值模拟分析，研究了混凝土强度等级、布筋形式、初始预应力值和转向块等参数对钢筋混凝土框架倒塌抗力的影响，探明了体外预应力框架的设计参数与倒塌抗力分布规律关系；（3）结合试验结果与现象对试验模型框架受力过程进行了分析，建立了基于结构变形的体外预应力筋应力变化分析方法，推导出了体外预应力钢筋混凝土框架倒塌破坏的极限荷载简化计算公式，可用来预估体外预应力钢筋混凝土框架考虑悬链线作用的极限承载力。研究成果将为体外预应力钢筋混凝土框架的抗倒塌结构设计提供更为可靠的试验依据，也为既有钢筋混凝土框架结构的抗连续倒塌加固和改造提供依据。 2100433B

本书对预应力张弦结构的抗连续倒塌分析方法、抗连续倒塌性能、提高抗连续倒塌能力的措施等进行了系统研究。具体内容包括：根据大跨空间结构的受力特性和荷载特点，提出基于频率灵敏度的对称分组方法来判断大跨空间结构的关键构件；在ANSYS上二次开发出空间结构静力仿真分析程序，为空间结构抗连续倒塌设计提供依据；提出采用预应力等效荷载法模拟张弦结构的拉索失效；给出防止张弦结构发生上弦局部破坏和撑杆连锁破坏的充分条件；提出采用应力比值法研究张弦结构的动力放大系数。结合新广州火车站和天津梅江会展中心张弦结构的抗连续倒塌设计，探讨大跨空间结构抗连续倒塌的设计方法，提出多种张弦结构抗连续倒塌的措施。

前言

第1章绪论

第2章结构重要构件判断方法

第3章基于频率灵敏度的关键构件判断方法研究

第4章考虑初始缺陷的空间结构连续倒塌静力仿真分析

第5章索失效的模拟方法研究

第6章撑杆截面和间距对连续倒塌的影响

第7章应力比值法研究张弦结构的动力放大系数

第8章提高结构抗连续倒塌性能的措施

第9章新广州火车站屋盖结构抗连续倒塌性能分析

第10章天津梅江会展中心抗连续倒塌性能分析 2100433B