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混凝土结构落层倒塌碰撞的试验研究与分析

作　者: 黄仕香
导　师: 吴波
学　校: 华南理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 钢筋混凝土框剪结构楼板落层倒塌碰撞荷载
分类号: TU375
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

以往人们评估结构的抗倒塌性能多采用突然移除某一主要竖向构件的做法,较少涉及掉落构件(或上部结构)对下部结构的碰撞作用。结构发生落层倒塌(即结构某层或该层绝大部分突然整体下挫,该层楼盖与下层楼盖发生大面积接触碰撞的倒塌形式)时,上部结构撞击下部结构产生巨大的碰撞荷载,只有当下部结构足以承受该碰撞荷载时才能防止连续倒塌。本文从模型试验、数值模拟、简化评估方法等方面,对混凝土结构落层倒塌碰撞问题进行了初步探讨,主要工作和结论如下:1.开展了3个单层空间混凝土框剪结构模型的抗震试验,考察了框剪结构在楼板参与作用下的破坏过程,并与弹塑性分析结果进行了对比,初步考察了楼板对抗侧力构件剪力分配的影响。研究表明:①水平荷载作用下剪力墙附近楼板损伤较大,该处楼板钢筋承受较大拉应力;②考虑实际楼板和忽略楼板作用相比,前者情况下框剪结构所能承受的最大水平荷载有所增大,同时剪力墙在所有抗侧力构件中的贡献比例也有所提高;③具有相同横截面积和配筋的不同位置框架柱所承受的剪力总体上相差不大。2.在前述抗震试验的基础上,进行了该3个混凝土框剪结构模型的落层倒塌碰撞试验,考察了模型结构的落层倒塌模式和相应的碰撞荷载时程及其平面分布。研究表明:①剪力墙面外折断和柱轴压比增大是诱发落层倒塌的重要原因;②落层倒塌碰撞是一个多体接触的复杂动态过程,碰撞荷载时程包含两组波动;③碰撞荷载的大小与碰撞双方材质密切相关,混凝土构件撞击钢板产生的总碰撞荷载最大值是倒塌层及其以上总重力荷载的7.90倍,而混凝土构件撞击钢-混凝土组合板产生的总碰撞荷载最大值仅为倒塌层及其以上总重力荷载的3.58倍。3.开展了混凝土框架梁-楼板组合体3个不同碰撞高度共9次(每个高度3次)自由落体碰撞试验,考察了相应的碰撞荷载时程,提出了等效碰撞荷载的近似估算方法并给出了相关参数的初步参考取值,同时对自由落体碰撞试验进行了数值模拟。研究表明:①若忽略混凝土框架梁—楼板组合体在每次碰撞中的累积损伤,总碰撞荷载最大值与碰撞高度近似成正比关系;②由于剪力墙和框架柱等竖向构件的存在,落层倒塌碰撞时总碰撞荷载最大值与下落体总重力荷载之比仅为自由落体碰撞时相应比值的16%左右。4.基于能量平衡原理提出了一种评估楼板落层倒塌碰撞效应的简化方法,该方法包括两个步骤:一是进行被撞击楼板(下板)的非线性静力分析,得到该楼板的荷载—板中心点挠度曲线;二是根据下板中心点在静荷载作用下的最大允许位移,以及碰撞时掉落楼板(上板)动能转移至下板的动能转移百分比(简称下板动能转移百分比),估算上板的最大允许重力荷载,将此最大允许重力荷载与上板实际重力荷载进行对比即可评估下板的碰撞安全性。针对两种碰撞极限状态——完全塑性碰撞和完全刚性碰撞,理论推导了相应的下板动能转移百分比,考察了相关因素对该百分比的影响,同时采用ABAQUS有限元软件对两种碰撞极限状态进行了下板动能转移百分比的数值计算。研究表明:①上、下板质量比等于1时,完全塑性碰撞后的总动能转移百分比和下板动能转移百分比分别为33.3%和16.7%;②完全刚性碰撞后的下板动能转移百分比与碰撞前上板速度、碰撞后上板周边反弹速度等参数有关,上、下板质量比等于1时下板动能转移百分比介于44.4%～97.1%之间;③计算得到的两种极限状态对应的下板动能转移百分比,总体上与理论分析结果较为接近。5.采用上面所提楼板碰撞效应简化评估方法,考察了下板边界约束条件、钢筋强化、下板动能转移百分比等因素对上板最大允许重力荷载的影响,比较了两种措施增强下板抗碰撞能力的效果。研究表明:①考虑钢筋强化效应后,四边固结板的最大允许位移相比未考虑强化效应时增大近50%;②对应不同的下板动能转移百分比,四边简支板可承受的上板最大允许重力荷载是四边固结板的2.3~2.6倍;考虑钢筋强化时四边固结板可承受的上板最大允许重力荷载约为未考虑钢筋强化时的1.8倍;③增大板厚可显著增强下板的抗碰撞能力,提高配筋率虽然也可在一定程度上增强下板的抗碰撞能力,但增强幅度有限。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
CONTENTS  14-18
第一章绪论  18-39
  1.1 研究背景  18-20
  1.2 研究现状  20-37
    1.2.1 连续倒塌事件  20-22
    1.2.2 抗连续倒塌设计规范  22-24
      1.2.2.1 美国规范  23
      1.2.2.2 其他国家规范  23-24
    1.2.3 抗连续倒塌设计方法  24-26
      1.2.3.1 意外事件控制法  24-25
      1.2.3.2 间接设计法  25
      1.2.3.3 直接设计法  25-26
    1.2.4 钢结构抗连续倒塌研究  26-30
      1.2.4.1 节点  26-27
      1.2.4.2 框架结构  27-30
    1.2.5 混凝土结构抗连续倒塌研究  30-37
      1.2.5.1 节点和构件  30
      1.2.5.2 抗倒塌设计与抗震设计的关联  30-31
      1.2.5.3 数值模拟方法  31-32
      1.2.5.4 非结构构件的影响  32-33
      1.2.5.5 构件失效情况下的性能分析  33-34
      1.2.5.6 上部结构撞击的影响  34-37
  1.3 本文主要研究内容  37-39
第二章混凝土框剪结构的抗震试验与分析  39-52
  2.1 引言  39
  2.2 试验概况  39-43
    2.2.1 试件设计  39-40
    2.2.2 试验装置  40-41
    2.2.3 试验过程  41-43
  2.3 试验结果  43-48
    2.3.1 宏观现象  43-45
    2.3.2 滞回曲线  45-46
    2.3.3 纵筋应变  46-48
  2.4 数值分析  48-51
    2.4.1 分析模型  48-49
    2.4.2 水平荷载-顶点位移曲线  49-50
    2.4.3 抗侧力构件剪力分配  50-51
  2.5 本章小结  51-52
第三章混凝土框剪结构的落层倒塌碰撞试验  52-66
  3.1 引言  52-53
  3.2 试验概况  53-55
    3.2.1 试验装置  53-55
    3.2.2 加载方式  55
  3.3 试验结果分析  55-65
    3.3.1 宏观现象  55-57
    3.3.2 柱轴压比的影响  57-58
    3.3.3 剪力墙面外折断的影响  58
    3.3.4 碰撞荷载时程及其平面分布  58-62
    3.3.5 总碰撞荷载  62-65
  3.4 本章小结  65-66
第四章混凝土组合体的自由落体碰撞试验及数值分析  66-84
  4.1 引言  66
  4.2 试验概况  66-67
    4.2.1 试验装置  66-67
    4.2.2 试验步骤  67
  4.3 试验结果分析  67-73
    4.3.1 碰撞荷载时程  67-70
    4.3.2 等效碰撞荷载  70-72
    4.3.3 等效碰撞荷载估算模型  72-73
  4.4 数值分析  73-83
    4.4.1 时间步长  74-75
    4.4.2 材料本构  75-79
    4.4.3 关键参数  79-80
    4.4.4 计算结果  80-83
  4.5 本章小结  83-84
第五章结构落层倒塌时楼板碰撞效应的简化评估方法  84-102
  5.1 引言  84-85
  5.2 动能转移量的确定  85-94
    5.2.1 完全塑性碰撞  85-88
    5.2.2 完全刚性碰撞  88-94
  5.3 碰撞效应的简化评估  94-98
  5.4 下板动能转移百分比的数值计算  98-101
    5.4.1 完全塑性碰撞  98-99
    5.4.2 完全刚性碰撞  99-101
  5.5 本章小结  101-102
第六章楼板碰撞效应简化评估方法的应用  102-111
  6.1 引言  102
  6.2 板的最大允许位移  102-103
  6.3 算例简述  103-105
    6.3.1 算例介绍  103
    6.3.2 有限元模型  103-105
  6.4 板的非线性静力分析  105-108
    6.4.1 非线性静力反应  105-107
    6.4.2 上板最大允许重力荷载  107-108
  6.5 板的增强措施  108-109
    6.5.1 提高配筋率  108-109
    6.5.2 增大板厚  109
  6.6 本章小结  109-111
结论与展望  111-115
参考文献  115-125
攻读博士学位期间取得的研究成果  125-127
致谢  127-129
附件  129

混凝土结构落层倒塌碰撞的试验研究与分析

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