空间框架结构连续倒塌分析与破坏模式控制

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论文字数:42522 论文编号:sb2022041215280246185 日期:2022-04-19 来源:硕博论文网
本文是一篇工程硕士论文,本文采用大型有限元分析软件 ABAQUS,建立角柱失效时钢筋混凝土空间框架的有限元分析模型,并进行相应结构的有限元分析,得出角柱失效空间框架结构的荷载-位移分析曲线,通过对比试验的荷载位移曲线发现两个曲线吻合的较好,对应的梁、板位移曲线、混凝土变化曲线、钢筋变化曲线也吻合的较好,模拟的 P1 区的倒塌过程的变化云图与试验也基本一致,说明建立的有限元分析模型和算法可靠有效,可以较好地分析这类结构的抗连续倒塌破坏过程及主要特点,用于这类结构抗连续倒塌的有限元分析。

第一章 绪论

1.1 引言
经济的快速发展使人们希望能够住上更加舒适自然的建筑房屋,因此建筑技术顺应时代的发展需要,逐渐向复杂化、综合化发展,而这样的发展结果对建筑结构设计的安全性能的要求不断提高。世界上各个国家对建筑架构安全性能的要求各不相同,但相比较而言,应用相对较多的是可靠性理论,多数国家应用该理论对建筑结构的安全使用性和承载能力状态下破坏的可能性进行评估分析,这样分析的结果是建立在这些建筑结构在其整个寿命周期内不会遭遇火灾、撞击和爆炸等偶然性荷载。当建筑结构在使用寿命周期内遭遇这些荷载,或者说某个构件遭到破坏,由于这个构件的破坏,原先承受的荷载被重现分布,其他构件达到其自身的极限荷载,使得自身发生破坏,如此下去,引起连锁反应。继而引起整层结构或整个结构的大面积损坏,这种由小构件引起的大面积破坏严重威胁人们的的生命和财产的安全,这而这种不成比例的破坏就是连续性倒塌。
Ellingwoo[1]把连续倒塌定义为建筑结构在非预期性荷载作用下,导致建筑结构小范围内发生破坏,这种破坏导致的不平衡使得相邻的建筑结构单元内力发生变化或者失效,这种破坏或者失效会把更多的荷载重新分布给其他构件,其他构件继续破坏,如此这样发展下去,与初始单个结构单元的破坏严重的不成比例。英国在其规范中把其定义为建筑结构的鲁棒性。鲁棒性的引用是对建筑结构的系统化定义,鲁棒性是系统工程学科的一个应用概念,它的主要意思是指整个系统在应对外界环境变化或者内部的一系列不确定因素时能够不受影响,保持一个稳定的工作状态。综合以上可以发现,结构的连续倒塌问题与传统工程结构中关注某个构件的承载能力不同,连续倒塌问题更加关注建筑结构的整体性,即关注整体的建筑结构,在部分构件发生破坏、小范围内的结构发生破坏或受到损伤不能够承受力时,整体的结构能够保持其原来的结构形态或整体结构正常工作的能力。
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1.2 失效角柱连续倒塌破坏现状
英国 Ronan Point 公寓连续性倒塌事件使得世界各国开始注意结构的连续性倒塌问题。此事件之后,英国率先在结构的连续倒塌方面做出一些概念性的的规范,并且很快应用到建筑建设当中。此后连续倒塌问题开始逐渐淡出各国的视野,直到美国 Oklahoma 爆炸再次引起建筑结构的大面积的连续性倒塌,连续倒塌问题才再次引起人们的注意,使得连续倒塌问题再一次变成热点问题。这次事件直接促使美国开始在连续倒塌问题上开始制定规范,规范中要求对建筑结构在设计过程中对建筑结构抗倒塌内容进行强化。
工程硕士论文参考
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在美国“911”事件之前,我国的高层建筑有限,高层建筑连续倒塌问题出现的屈指可数,所以在抗连续倒塌的问题上研究页相对较少。仅有朱幼麟、万墨林和朱明程等学者进行一些基础研究,提出一些原则性的建议,住建部的规范中关于抗连续倒塌的条文也很缺乏,仅仅是进行概念性的说明。美国世贸大厦的倒塌震惊世界,引起人们对于连续倒塌问题的关注,间接的推动世界建筑结构的抗连续倒塌问题的解决。因此事件,我国开始制定相关的规范,但是仅仅是在规范中强调要加强建筑结构整体性设计等概念性规定。我国在钢筋混凝土设计中应用以概率论为基础的极限状态设计方法,在进行设计仅仅考虑地震引起的偶然荷载,对其他偶然荷载没有做注释,实际条件下,各种偶然荷载造成的建筑结构破坏层出不穷。
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第二章 空间框架模型试验及分析

2.1 引言
建筑框架结构的破坏分成两种,一种是小规模的破坏,单个构件对部分区域产生影响,一种是不成比例的破坏,单个构件的破坏对整个框架结构产生破坏,这种破坏与初始破坏不成比例。后者就是工程界研究的热点问题,也称之为连续性倒塌。连续性倒塌的案例很多,远的有 Ronan Point 公寓的连续性倒塌问题,18 层建筑结构的倒塌使得其支撑的构件失去承载力,19 层结构没有下层的支撑发生倒塌,18 和 19层的倒塌超出 17 层结构构件的承载力,引起更大程度的倒塌,依次下去使整个结构发生连续性倒塌。近的有 2021 年 6 月 24 日发生在美国佛罗里达洲 12 层公寓楼的连续性倒塌事件,这些连续性倒塌都对人们的生产生活产生巨大的威胁 [32]。空间框架的结构的连续性倒塌不是单个构件的强度和单个结构的安全性问题,而是一个全局性问题。这使得研究连续性倒塌问题难度大,花费多。而数值模拟分析能够很好的解决这些问题。但是数值分析的过程中需要对大位移和大变形等相关问题进行研究,这就要求有精确的框架结构数据模型,而模型的建立是在试验的基础上进行的,而现实生活中空间框架结构的连续性倒塌试验仅在是在某个特定状况下,综合状况下的数值分析较少[33]。
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2.2 空间框架模型设计与试验
2.2.1 空间框架模型设计
本试验的目的是通过应用静力加载的方法对提前拆除角柱构件框架结构进行加载,记录整个框架结构的连续倒塌过程,分析倒塌过程中的相关数据,研究其倒塌过程中的力的变化,进而为控制框架结构的连续性倒塌提供可以参考试验数据。在此目的基础上,本文参考《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010),按照规范上的要求,制作单层、双向两跨、角柱失效的钢筋混凝土梁板柱空间框架模型,通过 1:3 的对应比率来确定试验框架。该试验是在西安建筑科技大学教育部结构工程与抗震重点试验室进行的。该试验框架的长为3.6m,宽为 2.6m,高为 1.75m。柱网的布置方面采用纵向 1.8m,横向 1.3m 的布置,框架柱的截面正方形,边长分别为 133mm,纵梁的截面尺寸宽 67mm,其高度为150mm,对应的横梁截面尺寸长度为宽度为 67mm,长度为 117mm,对应的混凝土板的厚度为 30mm,底层梁与上部梁之间的净高度为 1200mm,框架柱和梁的制作过程符合相关规定,相关的钢筋和板的制作也符合相关规定。具体的模型和相关的数据展示如图 2.1 到 2.3 所示。
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第三章 空间框架结构模型有限元分析......................25
3.1 有限元分析简介..............................................25
3.1.1 有限元基本原理...................................... 25
3.1.2 ABAQUS 分析过程............................ 26
第四章 空间框架结构连续倒塌模拟与破坏模式控制.............................41
4.1 抗连续倒塌研究思路................................41
4.2 抗连续倒塌破坏准侧........................................41
4.3 空间框架结构模型的设计....................................42
第五章 结论与展望..................................55
5.1 本文结论....................................55
5.2 研究与展望..............................56

第四章 空间框架结构连续倒塌模拟与破坏模式控制

4.1抗连续倒塌破坏准侧
结构的冗余度可以解决框架结构的连续倒塌问题,因为增加结构的冗余度能够为结构提供充足的荷载传输路径,当某个构件发生破坏时,备用路径能够提供力的传递路径,从保证结构不发生连续性倒塌[61]。设置合理的备选路径,就需要对框架结构进行合理的设计,设计出合理的结构方案,保证结构能够形成多个方向力的传输路径,避免因个别薄弱部位出现破坏导致整个框架结构的连续性倒塌[62]。而备用路径的设置通常是通过拆除构件的方法来确定的。通过这种方法,可以确定备用路径的设计方案和方案的可行性,这种方案一般是根据经验设计的,当然也要评估备用路径是否具备承受某个构件破坏后所传递的荷载。
结构之所以会发生连续性倒塌,是因为在倒塌的过程中形成连续性作用。要想阻止连续性倒塌,可以设置整体性的结构构件,并且对关键构件进行加强,这种加强型的构件强度高于其他构件,能够预防一定的倒塌[63]。也可以设置结构缝,结构缝的设置主要是对结构进行划分,这个划分能够把结构的破坏控制在一个区域范围,使得结构的破坏不至于形成整体性的倒塌。
本试验是利用拆除构件的方法进行的,本次模拟是在试验的基础上,通过在失效角柱的梁上添加梁,以期通过增加备用路径来分析那条路径能够提高其抗倒塌的能力,从而找到空间框架结构抗连续倒塌控制的有效方法。
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第五章 结论与展望

5.1 本文结论
(1)本文设计制作了相似比为 1/3、单层、双向两跨、角柱失效的钢筋混凝土空间框架试验模型,利用静力加载试验方法,研究了研究角柱失效时空间框架试验模型的抗连续倒塌能力,得到了失效角柱的荷载-位移曲线,通过该曲线分析了其倒塌规律。接着分析了失效角柱相临梁、板及其内部钢筋的应力、应变的发展过程和其分布规律,探讨了失效角柱位移与框架梁、板、柱之间的位移关系。研究结果表明,角柱失效空间框架模型在发生连续性倒塌时,经历了弹性工作阶段、塑性阶段和失效阶段等,从结构表面看,角柱倒塌过程 P1 区裂缝中呈 45 度,这些裂缝交叉发展,这过程中伴随着结构中力的重分布。整个倒塌过程可知,失效角柱空间框架结构的连续性倒塌和结构自身的受弯承载力较为密切。
(2)采用大型有限元分析软件 ABAQUS,建立角柱失效时钢筋混凝土空间框架的有限元分析模型,并进行相应结构的有限元分析,得出角柱失效空间框架结构的荷载-位移分析曲线,通过对比试验的荷载位移曲线发现两个曲线吻合的较好,对应的梁、板位移曲线、混凝土变化曲线、钢筋变化曲线也吻合的较好,模拟的 P1 区的倒塌过程的变化云图与试验也基本一致,说明建立的有限元分析模型和算法可靠有效,可以较好地分析这类结构的抗连续倒塌破坏过程及主要特点,用于这类结构抗连续倒塌的有限元分析。
(3)以上述模型试验和有限元分析结果为基础,结合角柱失效钢筋混凝土空间框架结构连续倒塌破坏的主要特点,文中建议 4 种能够提升这类结构抗连续倒塌能力的简易控制方法,即在失效角柱相邻梁板处增设十字梁、长双梁、单斜梁和三斜梁等。利用 ABAQUS 软件,分析上述 4 种增设简易控制方法,把 4 种控制方法的荷载位移曲线与模拟的框架模型曲线进行对比,其倒塌形式基本一致,证明了模拟的有效性,从其倒塌先后规律和力的变化可知,添加梁对失效角柱的空间框架结构的连续倒塌起到了抵抗作用,对比分析了模拟的框架梁与添加梁相应的框架位移、混凝土变化、钢筋变化与失效角柱位移之间的关系,确定了上述 4 种简易控制方法的效果。
参考文献(略)

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