钢筋混凝土框架结构抗连续性倒塌性能研究

论文摘要

自从1968年英国伦敦的Ronan Point公寓因煤气爆炸而引发的连续性倒塌事故发生以来,尤其是纽约世贸大楼在“9.11”事件中的连续性倒塌事故发生后,引起了世界各国对如何保证建筑结构在意外事件下抗连续性倒塌能力的高度重视。钢筋混凝土框架结构(简称为“RC框架结构”)是当前在我国应用最为广泛的结构体系之一,其安全性问题不容忽视。本文以钢筋混凝土框架结构为研究对象,在理论分析的基础上找出影响钢筋混凝土框架结构抗连续性倒塌性能的主要因素并设计算例,采用连续倒塌分析的备用荷载路径方法,考虑结构的材料非线性和几何非线性,对框架结构的连续性倒塌进行数值分析。通过研究,确定各个影响因素对框架结构抗连续性倒塌性能的影响程度和规律,给出有关提高框架结构抗连续性倒塌性能的设计建议。本文的主要研究工作如下:①简要介绍了建筑结构连续倒塌的研究背景和意义,从连续性倒塌规范与指南修订情况、抗连续性倒塌性能评价研究、抗连续性倒塌设计方法研究和倒塌仿真与试验研究四个方面总结了国内外研究现状。②对备用荷载路径法使用中所涉及的几个关键问题结合国外规范进行了总结和介绍,并指出了其中的注意事项,供研究和设计人员参考并为本文后续的分析工作做了铺垫。③采用备用荷载路径法中的非线性静力和非线性动力分析方法,对按中国规范设计的多个无支撑RC框架结构算例进行抗连续性倒塌性能分析。考察了跨数、跨距、楼层数和抗震设防烈度的不同对无支撑RC框架结构抗连续性倒塌性能的影响。④采用备用荷载路径法中的非线性动力分析方法以一幢10层RC框架结构为研究对象,对比分析水平支撑增设在不同楼层的情况下,模型结构在局部构件破坏后的抗倒塌性能。⑤根据国内外抗连续性倒塌研究现状,结合我国建筑结构抗震规范中关于抗震措施的相关规定,提出了提高结构抗连续性倒塌能力的措施。通过以上研究,得到的主要结论如下:①与移除柱子所在跨相邻的结构构件对于局部破坏发生时内力重分配的参与贡献较大,有利于提高框架结构抗连续性倒塌能力;而与移除柱子所在跨远离的结构构件对于其内力重分配的参与贡献很小,对提高框架结构抗连续性倒塌能力作用较小。②框架结构的抗连续性倒塌能力随着跨距的增加而降低。③楼层数的增加会提高框架结构的抗连续性倒塌能力,这个规律在低烈度区不太明显,而在高烈度区比较明显。④只有当抗震设计起到控制作用时,框架结构的抗连续性倒塌能力才会随着抗震设防烈度的提高而有效提高;而当非抗震设计起到控制作用时,框架结构的抗连续性倒塌能力不会随着抗震设防烈度的提高而有效提高。⑤对于位于水平支撑所在跨内柱子破坏的情况:在RC框架结构二层增设水平支撑相对于无支撑框架结构而言,可以有效减小破坏柱顶点处最大竖向位移,同时还能减小与破坏柱子邻近的柱子中的轴力峰值,从而提高其抗连续性倒塌能力。对于位于水平支撑所在跨之外柱子破坏的情况:在二层增设水平支撑对抗连续性倒塌能力没有提高作用。⑥对于位于水平支撑所在跨内柱子破坏的情况:在RC框架结构二层增设水平支撑相对于在其更靠上楼层增设支撑而言,能更有效的减小破坏柱顶点处最大竖向位移,更有利于提高抗连续性倒塌性能;在RC框架结构顶层增设水平支撑相对于在其更靠下楼层增设支撑而言,能更有效加强周边构件的联系并且提高当局部构件破坏时竖向荷载重分布的能力,同样有利于提高抗连续性倒塌性能;在RC框架结构二层和顶层同时增设水平支撑可以综合体现以上两种有利作用。对于位于水平支撑所在跨之外柱子破坏的情况:不同的支撑增设情况对抗连续性倒塌性能均无提高作用。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 国内外与连续性倒塌相关的研究成果
• 1.2.1 连续性倒塌规范与指南修订情况
• 1.2.2 结构抗连续性倒塌性能评价研究
• 1.2.3 结构抗连续性倒塌设计方法研究
• 1.2.4 结构倒塌仿真与试验研究
• 1.3 研究目的与内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 2 结构连续性倒塌分析的备用荷载路径法
• 2.1 引言
• 2.2 待移除构件的选择
• 2.3 初始破坏实现方法的选择
• 2.3.1 刚度退化法
• 2.3.2 直接加载法
• 2.3.3 初始条件法
• 2.4 荷载组合的选择
• 2.4.1 荷载组合中有关动力放大效应的考虑
• 2.4.2 与荷载组合相关的规定
• 2.5 分析方法的选择
• 2.5.1 线弹性静力分析
• 2.5.2 非线性静力分析
• 2.5.3 线弹性动力分析
• 2.5.4 非线性动力分析
• 2.6 评价准则的选择
• 2.7 本章小结
• 3 无支撑RC 框架结构抗连续性倒塌影响因素分析
• 3.1 引言
• 3.2 分析方法
• 3.3 算例设计与分析
• 3.3.1 跨数不同对抗倒塌性能的影响
• 3.3.2 跨距不同对抗倒塌性能的影响
• 3.3.3 楼层数不同对抗倒塌性能的影响
• 3.3.4 抗震设防烈度不同对抗倒塌性能的影响
• 3.4 本章小结
• 4 柱间支撑对RC 框架结构抗连续性倒塌性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 算例设计与分析
• 4.2.1 设计分析步骤
• 4.2.2 设计信息
• 4.2.3 支撑增设情况
• 4.2.4 有限元模型
• 4.3 分析结果
• 4.3.1 二层增设支撑的影响
• 4.3.2 在不同层增设支撑的影响
• 4.4 本章小结
• 5 提高RC 框架结构抗连续性倒塌性能的措施
• 5.1 引言
• 5.2 建筑结构抗连续性倒塌措施
• 5.2.1 建筑结构抗连续性倒塌的重要性分类
• 5.2.2 与建筑相关措施
• 5.2.3 与结构相关措施
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.模型结构梁柱配筋表
• B.作者在攻读学位期间发表的论文