基于抗震设计和构造改进的钢框架结构抗倒塌性能研究

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911事件后,建筑结构的连续倒塌引起工程界研究人员的高度重视,迄今为止多国规范已经引入了结构的抗连续倒塌设计,提出了各种设计方法和概念。梁柱节点作为连接框架结构受力构件的关键部位,其在结构倒塌中的响应和性能受到更多的关注。鉴于地震作用与结构倒塌的诱发荷载有诸多相似之处,将结构抗震设计运用到抗倒塌设计中具有非常重要的工程价值,已有不少学者进行过研究。本文重点研究基于抗震设计和过焊孔构造改进的钢框架梁柱节点在结构倒塌中的响应,运用湖南大学高性能落锤试验机完成了6个钢框架梁柱子结构的动态倒塌模拟试验,并采用通用非线性有限元分析软件ABAQUS建立起分析模型,深入考察节点的过焊孔构造对于结构抗倒塌性能的影响以及其用于结构抗倒塌设计的可行性。本文的主要工作总结如下:(1)参考国内抗震规范和美国FEMA350标准设计了两类目前工程中常用的梁柱刚性节点(全焊节点和栓焊节点),并参考相关文献与规范设计了3种过焊孔构造,即标准过焊孔,扩大型过焊孔和FEMA350标准过焊孔。(2)采用简化的梁柱子结构试验模型,对各试件进行柱顶的竖向落锤冲击试验以模拟结构的动态倒塌过程,重点考察节点形式、过焊孔构造等参数对结构承载力、变形能力以及破坏模式的影响,通过对试件延性及耗能的测量评估其抗倒塌能力。(3)采用有限元分析软件ABAQUS对各种节点的落锤冲击试验建立数值分析模型,并对模型进行了合理的简化,与试验结果的对比证明了有限元模型的准确性,同时借助有限元分析建立了典型冲击力-截面转角关系曲线并深入探讨结构在大变形下的受力转换机制,得到悬链线效应对结构承载力的提高作用。(4)结合本文的试验及有限元分析结果,探讨了目前已有抗倒塌规范中的荷载路径转换法(APM)存在的问题及其最新的研究趋势,并对已有APM计算模型的适用性和缺陷进行了分析。
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