空间钢框架结构的抗连续倒塌机制与冲击荷载下的动力性能研究

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框架结构是一种常见的结构形式,在使用期限内可能遭到人为破坏或者意外灾害,引起局部构件初始破坏,并向其它构件扩展,引起大范围区域的倒塌,甚至导致结构整体的连续倒塌。本文以框架结构为研究对象,首先研究结构抗连续倒塌机理,将多层框架简化为单层子结构进行抗连续倒塌分析,并将单层子结构的研究成果应用到多层框架结构;关键构件失效后,除了影响构件的上部结构,还会出现掉落构件撞击下部结构,在撞击荷载作用下,下部结构能够抵抗撞击荷载,也是抗倒塌研究的一个重要环节;抗倒塌分析经常不考虑具体灾害,直接研究构件失效后结构的抗倒塌性能,有必要结合具体灾害(比如汽车撞击)进一步研究结构的抗倒塌性能。本文主要研究内容及结论如下:(1)分析单层框架结构在中柱和角柱失效后的抗连续倒塌机制,求解梁机制阶段、过渡阶段和悬链线机制阶段的显式表达式,并结合能量平衡的概念,得到了框架结构的抵抗能力曲线,利用曲线估计柱失效后的最大动力反应,并与其他学者的非线性动力分析结果对比,结果表明本文简化方法相对准确、计算简单;角柱失效后单层框架结构缺乏足够的轴向约束,无法发挥悬链线机制的作用,只能依靠梁机制抵抗不平衡荷载。(2)多层框架结构的抗倒塌分析,除了依靠梁机制和悬链线机制抵抗连续倒塌,还表现出空腹机制。失效跨各层梁中轴力形成新的力偶矩M0参与失效跨的抗连续倒塌;分别针对中柱和角柱失效提出空腹机制的贡献指标,结合具体算例分析发现,空腹机制对整体框架结构抗倒塌的贡献约为12%左右;利用支撑体系加强框架结构,结果表明水平支撑体系比竖向支撑体系对提高结构的抗倒塌能力更有效。(3)针对完全塑性和完全刚性两种极端情况下的撞击分析,结合框架结构的抵抗能力曲线,评估两种极端撞击后梁的位移,并采用已有落锤冲击试验验证本文方法的准确性;利用动量守恒和能量守恒,对直接撞击和旋转撞击下结构的动力特性进行参数分析,结果表明能量对撞击力和撞击位移有重要影响。(4)用动力学方法计算结构体系在汽车撞击下的激励反应,分析不同因素对汽车撞击力和构件动力响应的影响,结果表明,撞击位置靠近柱中部比较危险,轴压比不会直接影响汽车和受压柱的撞击过程,而是通过二阶效应,间接影响撞击点的横向位移;建立已有钢框架结构的有限元模型,分析结构在撞击荷载下的动力响应,并与直接去柱法的结果对比,发现撞击力不仅破坏被撞柱,还给周围构件带来初始应力和初始速度;常用的直接去柱法忽略了相邻构件受到的影响,保守估计了剩余结构的动力响应。(5)分别用直接去柱法和撞击去柱法模拟俄亥俄州立大学综合大楼拆除底层4根柱的过程,结果表明,用直接去柱法拆除4根柱后,经过一段时间振荡最后达到平衡;而用撞击去柱法拆除4根柱后,结构发生连续倒塌。并且各柱失效后,不同楼层的梁表现出不同的抗倒塌机制,空腹机制与其它机制一起抵抗连续倒塌。
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