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建筑结构抵抗连续性倒塌的性能是当今研究的热点,因为该性能涉及到材料非线性、几何非线性、应变率效应、接触碰撞等复杂问题,所以到目前为止仍有许多相关问题需要进一步研究从而得到可靠、可行的评估方法来确认结构抵抗连续性倒塌的性能,进而指导新结构的设计并为原有结构的改造提供依据。分析框架结构的连续性倒塌过程不难发现:与罕遇地震、飓风等荷载作用不同,连续性倒塌具有明显的区域性特点,其破坏过程由局部逐步向整体扩展,对破坏过程最有效的控制莫过于防止最初破坏的发展,即应将研究的重点放在发生最初破坏的局部区域。为此,应采用子结构方法研究连续性倒塌。能量方法是基于功能平衡原理计算结构变形、内力的有效方法,它回避了有限元方法在非线性问题计算上的巨大障碍,直接通过假设的结构变形模式与功能平衡条件计算结构达到平衡时的变形、内力。使用这种方法分析连续性倒塌问题将使分析大为简化。本文研究了基于子结构模型和能量方法的钢框架结构连续性倒塌实用评估方法,并对与该方法相关的约束刚度、钢梁静力非线性反应等问题进行了专门的研究与探讨。本研究分为八个部分:
第1章介绍连续性倒塌的研究现状,就连续性倒塌设计建议、评估方法、模拟等问题的研究现状进行了总结。
第2章阐述了连续性倒塌设计指南推荐的连续性倒塌评估方法,分析了不同方法的优势与不足。通过混凝土框架算例介绍了UFC指南联系力评估方法的应用:结合规范给出了UFC指南构件去除法(动力非线性分析)的评估流程以及采用显示有限元软件LS—DYNA进行动力非线性评估的步骤以及技巧。
第3章采用有限元软件ABAQUS6.7通过一个多层钢框架结构算例就连续性倒塌研究中采用的不同的去柱分析方法进行研究。考虑荷载施加过程的不同、动力放大系数、应变率效应等因素将研究钢框架去柱反应的分析方法分为9种。
第4章采用约束系数方法和刚塑性铰模型推导了同时承受轴向和转动约束的钢梁在分布荷载作用下的荷载-跨中挠度曲线计算公式,重点研究了约束钢梁由抗弯向拉弯转化并最终完全依靠拉力抵抗外荷载的全过程,即钢梁在分布荷载作用下的悬链线效应问题。采用有限元软件ABAQUS6.7进行算例验证。
第5章分析钢框架边跨去柱情况下子结构的空腹效应问题,给出了这种情况下的简化分析模型。采用集中塑性铰模型,利用约束系数方法推导了单梁简化模型的荷载-梁端挠度曲线计算公式。采用有限元软件ABAQUS6.7进行算例验证。
第6章研究框架结构中钢梁的轴向约束刚度以及转动约束刚度。将钢梁周围提供约束的构件分为无楼板的框架系统与楼板系统。分别研究它们的计算模型并推导了它们的轴向以及转动约束刚度计算公式。采用有限元方法对以上分析结果进行算例验证。
第7章简述基于子结构模型与能量方法的框架结构连续性倒塌实用评估方法。分析了空间钢框架结构连续性倒塌的破坏机理,并根据该破坏机理对原实用评估方法进行修正,提出一套适用于空间钢框架结构的实用评估方法。该评估的最终结果为不同部位去柱后结构的需求能力比。采用本文的实用评估方法对27层的空间钢框架结构进行连续性倒塌评估,同时采用有限元软件LS_DYNA对本章的算例进行计算,对包括破坏机理、破坏结果以及最大结点位移进行了验证,证明了本文实用评估方法的可靠性。
第8章为本文的主要结论与展望。