破坏性地震所造成的大量人员伤亡与震后压埋人员无法获得快速有效的救援有直接关系,而地震引起的房屋建筑倒塌是造成人员压埋的主要原因。研究揭示不同结构类型房屋建筑的地震倒塌机理及其废墟特征与规律,以及复杂混乱的建筑废墟体在震后应急救援过程中余震作用下的反应机制,对于进一步掌握建筑废墟中的人员压埋及生存空间分布规律,实现现场应急救生通道快速构建,保障施救与被救人员双安全,显著提升地震现场应急救援效能,抢救压埋人员生命,具有重要的理论意义和现实迫切需求。建筑地震倒塌过程及其废墟体的强余震反应模拟涉及从材料到几何拓扑的强非线性动力反应理论及数值实现问题,一直是结构工程研究难点问题中的“硬骨头”。本文围绕基于地震现场应急救援全过程的建筑倒塌过程及其废墟体强余震反应模拟难题,重点开展了我国广大城乡占比最大的五类典型结构房屋建筑地震倒塌及其废墟体地震反应数值模拟方法研究、建筑废墟救生通道构建数值模拟方法研究以及余震作用下废墟体内救生通道安全性评估方法研究三方面的工作:1.基于地震废墟救援全过程安全性评估需求,总结了实际震害中不同类型建筑废墟的主要结构构造特征,考虑填充墙及其与主体结构之间的构造措施,将FEM中采用单元删除技术模拟震害混凝土“剥离”损伤的方法和F-DEM中采用节点失效技术模拟填充墙与框架连接失效的方法相结合,发展了FEM和F-DEM相结合的建筑地震倒塌模拟方法。该方法用等效弹簧失效准则实现填充墙与框架柱的拉结筋断裂以及填充墙与框架梁的弱接触失效,解决了传统模拟方法中失效构件消失过多导致无法在废墟体中实现救生通道构建模拟的难题。通过与1:5比例的钢筋混凝土填充墙框架结构模型振动台试验结果对比,以倒塌过程和倒塌模式为验证指标,验证了该数值模拟方法的合理性和准确性。采用FEM和F-DEM相结合的方法开展了五类典型结构原型建筑的地震倒塌全过程模拟分析,揭示了五类典型结构建筑的倒塌规律和废墟特征,结果表明该方法具有较高的实用性、准确性和计算效率。2.采用实际建筑倒塌废墟调查与典型建筑废墟数值模型分层剖切分析对比研究的方法,归纳总结了四种典型的建筑废墟存活空间类型。利用LS-DYNA软件的完全重启动功能,对废墟体模型进行二次编辑,对建筑废墟数值模型进行接续计算,通过删除单元方法模拟救援搭建救生通道构建过程中的局部废墟移除和破拆结果,通过对重启动分析时增加的支撑构件施加荷载的方法模拟救援行动中的局部顶撑,提出了在建筑废墟模型中构建救生通道的数值模拟方法。针对构建救生通道所必备的典型救援木支撑,设计完成了三类45组典型救援木支撑的抗压承载力试验,获得了典型救援木支撑的破坏特征和抗压承载能力规律,提出了双立柱和三维木支撑简化计算力学模型,给出了各类木支撑抗压承载力等效计算公式。将简化模型分析结果与试验结果进行对比,验证了简化模型的合理性和可靠性。模拟构建了叠饼式废墟中板柱间和倾斜式废墟中梁柱间两种典型存活空间不同救援路径救生通道,根据救援行动各环节时长试验,提出救援总时长计算公式,给出了救生通道优选原则与建议。3.考虑建筑废墟的特征、被困者存活空间尺寸等关键影响因素,以竖向位移作为废墟通道安全性评价指标,以典型木支撑抗压承载力设计值对应的位移均值作为废墟通道安全性评价指标限值[D],提出了适用于地震现场应急救援需求的废墟结构二次倒塌和建筑废墟救生通道安全性快速评价方法。针对叠饼式废墟中板柱间存活空间和倾斜式废墟中梁柱间存活空间救生通道优选方案进行安全性评估,给出了不同震级的主震发生后7天救援期内余震作用下废墟救生通道发生二次倒塌的可能性趋势:随着震级的增大尤其当主震震级7.0级以上时,废墟通道发生二次倒塌的可能性呈指数增加;在救援黄金72小时内,随着时间增加救生通道的二次倒塌可能性逐渐增加;0～12小时区间,主震震级为6.0-7.4级,废墟救生通道发生二次倒塌的可能性增长趋势平缓,主震震级大于7.5级,增长趋势明显;在12～72小时区间,废墟救生通道发生二次倒塌的可能性增长趋势明显;72～168小时区间,废墟救生通道发生二次倒塌的可能性增长趋势平缓。对于仅底部楼层垮塌的建筑废墟,当主震震级≥7.5级时,建议适当提高救生通道木支撑安全系数K值。