桁梁结构体系的连续性倒塌试验与数值仿真研究

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自从英国伦敦Ronan Point公寓爆炸导致连续性倒塌破坏以来,连续性倒塌研究已经成为许多学者关注的问题。导致结构倒塌的偶然事故,不仅破坏力巨大,而且难以预见、难以控制,使得这类事故难以纳入已有的基于概率统计的荷载(作用)分析方法中。因此关于结构体系连续性倒塌的研究,不仅具有紧迫的社会需求,也为研究者提出了许多难题。   本文以大跨度桁梁结构为对象,选取其中的桁梁结构体系进行深入的研究和探讨。本文所指的桁梁结构,是指格构式的平面受力构件组成的大跨度结构。与一般空间结构体系和框架结构体系相比,这类结构体系的冗余度较低,其抵抗连续性破坏的问题更值得关注。   本文主要从试验、数值模拟仿真和安全性能评价方式的检验三个方面进行了桁梁体系连续性倒塌的研究。   试验方面:首先,设计了一小比例桁梁模型结构体系,减小试验成本,同时易拆装,利于试验重复使用,有助于参数试验研究。重点开发研制了初始破坏引入装置,模拟偶然机制和作用,该装置具有对拟破坏构件常规性质的非干扰性;破坏的瞬时性;不同破坏位置的可移植性;对试验过程具有可控性。同时开发了非接触式动位移测量技术,通过摄像来获取位移的时程曲线。其次,进行了杆件材料和组合构件的拉伸试验,确定整个结构的刚度。进行了初始破坏后剩余结构的弹性振动试验,具有可重复性,考察结构动力性能,测试设备的可行性,并揭示出整体结构与局部构件的频率关系。最后,通过动态应变和动态位移的数据分析并结合试验过程的录像,可以有效地揭示连续性倒塌试验过程中剩余结构所经历的不同状态。通过应变片测点合理布置,可以判断构件的屈服顺序、破坏顺序,进而推断出整体结构的破坏机制。提出了一些抵抗连续性倒塌措施:加强上弦支撑的作用,增强整个结构的空间效应,可有效提高抗倒塌能力;提高构件承载力富余水平有利于结构抗倒塌。总之,建立了一套有效的实验室系统,从杆件材料的测试,构件性能的测定,到整个结构体系的静、动力测试,一直到最后的连续性倒塌试验。使研究由浅入深,有利于数值仿真分析的展开,逐步的、坚实的、全面的“探索”结构的破坏机制。   数值仿真方面:首先,以ABAQUS有限元软件为数值模拟平台,建立了试验的数值模型。根据试验数据,进行了数值模型刚度和频率的校正分析。通过显式积分和结果传递技术可以完全模拟连续性倒塌的全过程,分析试验的破坏机制。通过参数分析来考察连续性倒塌试验过程中所忽略的一些影响因素:材料性能、阻尼、初始破坏杆件的失效时间、节点构造等。这些因素可能影响最终的破坏机制,应予以重视。   安全性能评价方式的检验方面:设计了以实际工程为背景的平面桁梁体系,以不同的应力比,初始破坏位置以及支座约束为参数,考察破坏机理。同时根据文[20]提出的安全性能评价方式,对该桁梁体系以及本文的试验模型进行评价,分析表明:该评价方式相对保守,需要进一步改进。
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