钢管混凝土柱-钢梁多层平面框架倒塌分析研究

该文建立了钢管混凝土柱-钢梁平面框架结构的有限元计算模型,探讨了该类组合框架的倒塌判断标准。基于构件拆除法对组合框架结构进行了计算,研究了倒塌工况下组合框架结构的变形和内力分布规律。结果表明:钢管混凝土柱-钢梁平面框架结构剩余变形主要集中在梁端。按照规范设计的组合框架在不考虑节点区破坏前提下满足抗倒塌要求,但节点区内力变化明显,成为倒塌设计中的关键部位之一。     

基于纤维模型的钢管混凝土组合框架连续倒塌非线性动力分析

基于非线性纤维梁-柱单元理论建立了钢管混凝土空间框架有限元模型,分析其在非正常荷载作用下(火灾、爆炸、撞击等)的抗连续性倒塌性能。以ABAQUS软件为求解平台进行了钢材和混凝土材料模型的二次开发,并采用已有研究者的试验结果进行了模型验证,在此基础上采用抽柱法进行了一典型的12层钢管混凝土空间框架体系在不同初始损伤模型下的连续性倒塌非线性动力分析。分析结果表明,不同抽柱工况下,框架梁柱内力由于失效柱破坏将发生内力重分布,相邻构件弯矩和轴力变化较大,其卸载后传力路径遵循就近原则;底层中柱失效后,其上部节点竖向位移最大,底层角柱失效后,上部节点竖向位移最小。总体上钢管混凝土空间框架在竖向荷载作用下具有较好的抗连续倒塌性能。     

钢筋混凝土异形柱空间框架抗倒塌试验研究

预知结构在偶然荷载作用下的失效机理和提供新荷载路径是异形柱框架结构抗倒塌设计的重要内容。进行1/3比例的两层3×2跨的底层边柱、角柱的突然失效试验及拟静力倒塌试验。分析钢筋混凝土异形柱空间框架的试验现象、裂缝分布、破坏过程及荷载-位移等,进行异形柱空间框架受力过程分析,研究异形柱空间框架结构的受力机制转换过程。研究结果表明:动力效应对异形柱空间框架的影响效果并不显著。试验中没有出现钢筋被拔出现象,裂缝主要集中在竖向构件支座处;异形柱空间框架的边柱、角柱倒塌破坏过程均经历了弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段和悬链线阶段,边柱表现的悬链线效应远大于角柱的;楼板及梁的钢筋产生的悬链线效应在异形柱空间框架抗倒塌中发挥重要作用。     

中柱失效工况下方钢管混凝土柱-组合梁框架抗连续倒塌性能理论与试验研究

为研究中柱失效工况下方钢管混凝土柱-组合梁抗倒塌性能,基于对方钢管混凝土柱-组合梁的抗力机制及抗倒塌性能影响因素的分析,建立了方钢管混凝土柱-组合梁抗倒塌分析模型,该模型考虑了梁端柱的约束作用、正负弯矩作用下组合梁弯曲刚度的差异以及楼板与钢梁之间黏结滑移效应等影响因素,并对模型的抗力-变形计算公式进行了推导;设计了一榀2跨1/3缩尺的方钢管混凝土柱-组合梁框架试件并进行静力加载试验,分析了中柱失效后剩余结构的破坏模式、荷载传递机理以及主要的抗力机制。试验结果表明,倒塌过程中结构的抗力经历了从梁机制到悬链线机制的转化,其中压拱机制和悬链线机制可以有效提高结构的倒塌承载能力。最后基于理论与试验结果的对比分析,提出了理论公式的修正方法。     

钢管混凝土平面框架子结构抗连续倒塌精细有限元分析

竖向关键构件失效后,结构的抗倒塌能力主要以失效柱上部钢梁的梁机制和悬链线机制为主。选取"两跨三柱"型钢管混凝土平面框架子结构形式为研究对象,采用精细有限元法细致剖析竖向荷载全过程作用下平面框架的倒塌全过程,分析中柱竖向位移与承载力的全过程曲线特征,研究不同几何和物理参数对框架的抗力曲线的影响规律。结果表明:中柱承载力P-竖向位移Δ曲线分为四个阶段:梁机制阶段、转换机制阶段、悬链线机制阶段、破坏阶段。综合抗力指标和位移延性指标可以看出,钢梁翼缘厚度和钢管含钢率对该类结构的抗连续倒塌影响较为显著,工程实际设计和应用中应予重视。     

基于多尺度建模的钢管混凝土组合框架耐火性能数值模拟

钢管混凝土组合框架在局部火灾作用下可能会出现由于受火柱破坏而引发的结构连续性倒塌破坏。在合理选取钢材与混凝土的热-力本构模型的基础上,合理选取了组合框架中梁柱构件单元模型及其相互作用模型,基于ABAQUS软件用多尺度建模方法建立了局部火灾作用下三层三跨钢管混凝土平面组合框架的数值模型,对4种典型火灾工况下结构整体变形、内力分布、破坏机制等进行了分析研究,并在此基础上进行了不同火灾工况下组合框架的耐火极限计算。结果表明:框架中间层受火时,由于周围构件的约束作用明显而使得其耐火极限最大。     

圆钢管混凝土柱-H钢梁内隔板式节点抗连续倒塌机理研究

为研究圆钢管混凝土柱-H钢梁内隔板式节点抗连续倒塌工作机理,以中柱失效工况下的节点作为研究对象,采用ABAQUS建立了双半跨单柱型梁柱节点模型,在节点柱顶端进行位移加载,得到了节点的承载力曲线、破坏形态以及抗力机制曲线等,在此基础上对影响组合节点抗倒塌承载力的8个关键性参数进行分析,包括钢梁强度、钢管强度、混凝土强度、内隔板强度、柱含钢率、内隔板厚度、内隔板宽度以及跨高比。结果表明,内隔板式节点破坏是从梁机制阶段到悬链线机制阶段再到破坏阶段的发展过程;对节点参数分析可知增大钢梁强度和减小跨高比可显著的提高节点倒塌抗力,增大内隔板的强度、宽度和厚度节点倒塌抗力略有降低,其它参数影响不明显。     

基于楼板组合效应的梁柱子结构抗倒塌性能研究

以钢框架中栓焊连接组合梁柱子结构(两跨三柱型)为研究对象,通过单调静力加载试验研究其在中柱失效工况下的破坏模式和力学机理。试验结果表明:靠近失效柱处梁端受拉翼缘首先断裂,裂缝不断向上发展直至腹板断裂。试件在大变形阶段因双跨组合梁之间的协同作用可提供高于前期受弯阶段的承载力。此外,建立了精细化有限元分析模型并与试验结果进行验证,在此基础上,探讨了周边构件的轴向约束对梁柱子结构的抗倒塌承载能力的影响,结果显示梁柱子结构的抗倒塌承载能力会随着周边构件提供的轴向约束增大而提升,但当超过临界值后,其对组合梁柱子结构的抗倒塌承载能力影响很小。通过足尺模型对比分析了带楼板和不带楼板试件的抗倒塌性能,结果表明考虑楼板组合效应试件较不带楼板试件,梁机制峰值承载力提高了42.0%,悬链线机制峰值承载力提高了49.9%。说明楼板组合效应可以显著提高结构在梁机制和悬链线机制的承载能力。最后基于能量平衡原理得到了结构的动力响应曲线,对比可知楼板的存在可使结构在动力荷载作用下表现出更为富余的抗倒塌能力储备。     

钢管混凝土柱-波纹腹板H形钢梁栓焊混合加腋节点抗倒塌能力研究

该文基于ABAQUS/Implicit建立了钢管混凝土柱-H形钢梁栓焊混合节点抗连续倒塌数值模型。为提高该类节点的抗倒塌承载力,采用了波纹腹板H形钢梁和下翼缘加腋构造。分析该类节点在竖向荷载作用下的破坏特征和失效机理,并考虑波纹腹板的“折叠效应”对节点抗倒塌能力的影响。研究结果表明,钢管混凝土柱-平腹板H形钢梁节点(J-WB-O)的破坏出现在环板和钢梁连接位置,而钢管混凝土柱-波纹腹板H形钢梁加腋节点(J-CW-AP)的破坏远离环板与钢梁连接位置,延缓了钢梁下翼缘断裂;此外,J-WB-O节点钢梁全截面提供倒塌抗力,而J-CW-AP节点在加载初期波纹腹板几乎不提供倒塌抗力,当下翼缘断裂后波纹腹板开始受力,并且随着裂缝的向上延伸波纹腹板截面依次呈现受拉状态,表现为波纹腹板波纹逐渐拉开的过程即为“折叠效应”,延缓了腹板开裂和局部屈曲。对比普通栓焊混合节点J-WB-O,波纹腹板H形钢梁栓焊混合加腋节点J-CW-AP的极限承载力与延性分别提高了67.2%和62.3%。基于抗力机制分析,给出了钢管混凝土柱-波纹腹板H形钢梁栓焊混合加腋节点抗倒塌承载力简化计算公式。     

角柱失效下不等跨RC空间梁-柱子结构抗连续倒塌机理研究

本文通过角柱失效下钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)空间梁-柱子结构的Pushdown加载试验及其精细化有限元模型，对不等跨RC空间梁-柱子结构在角柱失效工况下的抗连续倒塌性能进行研究。基于所建立的有限元模型对不等跨RC空间梁-柱子结构的抗力机制等进行更深入的分析，探究了角柱上部水平约束、角柱节点配箍率和空间效应对不等跨RC空间梁-柱子结构抗连续倒塌性能的影响。研究结果表明，角柱失效工况下的不等跨RC空间梁-柱子结构不能有效发展悬链线机制而主要依靠梁机制抵抗倒塌，且空腹机制抗力的贡献不可忽略。角柱上部水平约束的增强，会提高第一峰值荷载，但是同时会导致角柱节点承受更高的剪应力从而提早发生剪切破坏。角柱节点配置一定量箍筋后会延迟和减轻角柱节点发生剪切破坏，从而提高结构的抗连续倒塌能力。对于角柱失效工况，空间效应不能通过简单叠加两个方向的平面框架抗力进行计算，因为空间效应三维剪应力作用会加速角柱节点发生剪切破坏。     

钢管混凝土框架实用荷载-位移恢复力模型研究

根据钢管混凝土柱-钢梁平面框架在恒定轴力与水平低周往复荷载共同作用下的试验结果,分析了钢管混凝土框架典型的水平荷载-水平位移滞回关系曲线的特征。基于非线性有限元理论,对影响钢管混凝土框架荷载-位移骨架曲线的主要因素进行了分析,结果表明:钢管混凝土柱含钢率、钢材强度、混凝土强度、柱轴压比、长细比、梁柱线刚度比及梁柱强度比等参数对钢管混凝土框架的荷载-位移骨架曲线有较大的影响。基于系统的参数分析结果,该文建议了单层钢管混凝土框架的荷载-位移恢复力模型。荷载-位移骨架曲线模型及滞回曲线模型的计算结果得到了试验及精确理论计算结果的验证。     

钢筋混凝土梁-板子结构抗连续性倒塌性能研究

该文通过试验与有限元模拟研究边柱失效工况下钢筋混凝土（RC）梁-板子结构抗连续倒塌性能。在实验室通过对RC梁-板子结构缩尺模型开展pushdown试验研究梁-板子结构的破坏模态,并进一步讨论了梁-板子结构在倒塌过程中的荷载传递机理和抗力机制。试验结果表明:RC梁-板子结构在倒数第二个边柱失效下可以形成有效的梁机制、压拱机制、悬链线机制以及拉膜机制抵抗倒塌。在小变形阶段,楼板在负弯矩区作为梁翼缘可以显著提升RC梁抗弯承载力（T型梁作用）;在大变形阶段,楼板发展拉膜作用早于梁发展悬链线机制。此外,根据有限元软件LSDYNA开展的数值分析结果表明:楼板提升RC框架屈服承载力与极限承载力分别高达65%和61%。     

组合楼板钢框架结构的连续倒塌简化模拟

该文借助经过校验的组合楼盖精细模型,建立了组合楼板钢框架结构连续倒塌有限元简化模型,通过与组合楼盖子结构试验对比验证了此简化模型的准确性。采用简化模型,分析了柱子失效位置、结构层数和组合楼板等参数对一个五层组合楼板钢框架原型结构抗连续倒塌性能的影响。分析结果表明：原型结构具有足够的承载力以避免由单个底层柱子失效所导致的结构连续倒塌;除了角柱失效工况外,原型结构的层数变化对结构抗连续倒塌性能的影响可以忽略,而在角柱失效工况下,层间桁架承载机制的贡献会使得原型结构比单层有楼板结构的抗连续倒塌承载力更高;在考虑组合楼板之后,原型结构的抗连续倒塌承载力提升了114%。     

钢-混凝土组合框架子结构动态倒塌性能试验研究

为了研究中柱失效后钢-混凝土组合框架结构的动态倒塌性能,对2个1/3缩尺的组合框架子结构试件进行了抽柱试验研究。研究结果表明:当在组合框架梁上分别悬挂30 kN和60 kN的配重时,2个试件在中柱处的最大动态位移至少为振动停止后静态位移的1.34倍;在中柱抽除后,剩余结构仍处于弹性受力阶段且阻尼比较小;采用栓钉抗剪连接件的组合框架梁具有较大的加速度响应和动态位移响应;组合梁中采用开孔板连接件的框架子结构具有较好的整体刚度,其受倒塌荷载动力冲击作用的影响相对较小;随着中柱竖向位移的增加,组合框架倒塌荷载动力增大系数(DIF)呈现两阶段的变化规律。基于试验研究,建立了组合框架倒塌荷载DIF的数学计算模型。该研究成果可为钢-混凝土组合框架结构的倒塌性能分析提供参考。