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“连续倒塌”的定义可以概括为在正常使用条件下由于偶然事件结构发生局部破坏,这种破坏从结构初始破坏位置沿构件进行传递,最终导致整个结构倒塌或者造成与初始破坏部分不成比例的大范围倒塌。这里的偶然事件是指在结构设计过程中未考虑到的因素,包括施工错误、煤气爆炸、机动车辆撞击、恐怖分子蓄意破坏等。连续倒塌最显著的特点之一是结构的最终破坏与其初始破坏不成比例。
随着国家经济的发展,越来越多的大型钢结构建筑纷纷建成,其中很多为钢框架结构体系。目前,钢框架结构体系在正常荷载作用下的设计已经成熟,但在偶然荷载作用下的抗连续倒塌能力还不够。而结构的连续倒塌往往导致惨重的人员伤亡和巨大的经济损失。一些地位重要、安全等级要求高或容易受到恐怖袭击的钢框架结构的抗连续倒塌问题显得愈发突出。因此,对钢框架结构进行连续倒塌分析有重要的现实意义。
本文从引入结构关键构件这一概念入手,即对结构整体竖向极限承载能力影响最大的结构构件定义为结构的关键构件,首先介绍了钢结构框架体系高等分析,以及以此为基础的结构整体极限承载力的有限元分析方法。随后在结构整体极限承载力高等分析的理论基础上提出了结构关键构件的判别准则。
为检验关键构件判别准则的正确性和合理性,文中结合拆除构件法采用ABAQUS大型通用有限元软件,分别对平面和空间钢框架结构算例进行了整体竖向极限承载力和显式动力分析。由相应的分析结果得出,采用“关键构件判别法”得到的结构关键构件与显式动力分析得到的结果相一致,证明了“关键构件判别法”的正确性和合理性。结合关键构件判别准则和显式动力分析方法,本文提出了新的钢框架结构抗连续倒塌设计流程。
由结构整体竖向极限承载力和显式动力分析的结果得到,空间钢框架结构相对于平面钢框架结构有更高的抗连续倒塌能力。结构边框柱的破坏对整体结构竖向承载能力和动力响应的影响要远大于内框柱的破坏。带楼板钢框架结构能更有效的发挥悬链线效应对结构竖向承载能力的有利作用。同时,对于一般多层钢框架结构,角柱是结构倒塌机制中的关键构件。
本文最后从控制偶然事件的发生和防止结构发生连续倒塌间接设计法的角度,总结和提出一些了防止钢框架结构连续倒塌的建筑和结构措施,着重阐述了加强结构的整体性、连续性、延性和冗余度的构造措施,相关内容有一定的参考价值。