结构连续倒塌指因偶然荷载作用造成结构局部破坏,并因此蔓延最终导致整体倒塌或与初始破坏不成比例的倒塌。钢框架是目前建筑结构中应用较广泛的结构体系,鉴于该体系冗余度较低,抵抗连续性倒塌能力较薄弱,因此真实模拟其倒塌过程、探索内力重分布机制、系统研究抗连续倒塌控制设计方法,对于揭示钢框架倒塌机理、制定相关设计标准具有重要的社会价值和理论价值。本项目以钢框架为研究对象,在位移/能量准则和精细化结构模型构建的基础上,通过理论分析、试验研究、程序开发等手段实现钢框架连续倒塌全过程分析及模拟;探讨倒塌模式分类,全面揭示此类结构倒塌破坏演变机理及共性规律,形成一套行之有效的抗连续倒塌性能评估方法;结合结构优化和新材料运用,实现极端情况下钢框架合理倒塌模式控制,提出新建结构抗连续倒塌设计方法及既有结构合理补强加固方案/措施。对于我国钢结构的抗连续倒塌设计,本研究成果将具有十分重要的理论指导意义和应用前景。
steel frame structure;progressive collapse;failure mechanism;performance evaluation;controller design
本项目执行时间为2012年1月至2015年12月,资助金额为62万元。在这四年时间内项目组圆满完成预定的科研任务,达到预期目标。本项目模拟了钢框架倒塌过程、探索了内力重分布机制、系统研究了抗连续倒塌控制设计方法,对于揭示钢框架倒塌机理、制定相关设计标准具有重要的社会价值和理论价值。所取得的主要结论与创新成果包括1)建立了精细化结构模型及失效准则;2)研究了钢梁柱构件极限承载力及破坏模式;3)形成了钢框架结构在偶然荷载作用下倒塌全过程分析方法及数值模拟手段;4)通过理论分析、试验研究、程序开发等手段实现结构倒塌全过程分析及动画演示;5)结合多种影响因素给出了结构倒塌模式,揭示了结构倒塌破坏的演变机理及共性规律;6)基于能量准则形成合理的结构抗连续倒塌性能评估技术;7)利用新组件(钢板剪力墙)、节点加强等合理补强加固措施实现了新建与既有钢框架结构抗连续倒塌设计与加固;8)对钢桁架结构以及张弦桁架结构的倒塌全过程动力响应开展了系统的数值及试验研究,揭示了其倒塌机理,并给出了在极端情况下合理倒塌模式的控制方法;9)建立了结构抗连续倒塌设计方法;10)开展了一系列的模型试验,并编制了适用钢框架结构倒塌全过程模拟分析的程序。本项目取得的成果对于我国钢结构抗连续倒塌设计具有重要的理论指导意义和应用前景。