组合梁结构倒塌工况下受力机理研究

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结构连续性倒塌是指由于结构中某一关键构件突然发生破坏,进而引起局部范围内的结构失效,并最终导致与初始局部破坏不成比例的结构大面积或整体性破坏的现象。结构连续倒塌区别于其他结构破坏形式的显著特点就是结构的初始局部破坏与结构最终破坏规模的不成比例性。我国在此领域的研究起步较晚,尚处于发展阶段,对于结构抗连续倒塌设计多停留在概念设计阶段,存在许多问题亟待研究解决。钢结构多高层建筑中广泛采用现浇混凝土楼板,其平面刚度大,并具有良好的双向拉结作用等特点,对结构抗倒塌有重要贡献。目前钢框架结构连续倒塌性能的研究已经有了较为可靠的理论基础及试验结果,而考虑楼板作用的已有研究多为混凝土板柱结构、压型钢板组合结构以及仅针对楼板等单个构件进行的理论分析和试验研究,对于现浇楼板-钢框架组合结构抗倒塌性能以及各构件倒塌工况下抗力特性方面的理论研究并不多。本文基于能量原理,从理论分析、数值模拟等方面对混凝土楼板-钢框架组合梁结构的抗倒性能分别进行静力、动力研究,具体内容如下:(1)基于能量平衡原理,将结构内部能量流动与结构倒塌特点联系起来,从能量角度分析结构连续倒塌各个阶段的工作状态、受力机理和抗力发展过程;提出适用于结构连续倒塌分析的能量方法基本假定;基于能量原理建立了平面组合梁结构倒塌各阶段抗力与失效点位移之间的表达式,并用一平面钢梁柱结构证明其合理性。(2)使用有限元分析软件ANSYS对一组合梁结构进行模拟分析,确定结构及各构件在倒塌各个过程中的受力机理和破坏方式,在此基础上将前文提出的能量方法应用到组合梁结构中,并基于能量原理建立了组合梁结构倒塌各阶段抗力与失效点位移之间关系的表达式;对楼板混凝土强度、板中主要受力钢筋直径、混凝土板与钢梁间有无相对滑移、混凝土板厚、钢梁柱强度等5个变量进行模拟分析,讨论其对组合梁结构抗倒性能的影响。(3)根据动力学基本理论,将组合梁结构视作无限自由度体系,并按照无限自由度体系的方法计算组合梁结构在连续倒塌各个阶段的固有动力特性,包括其固有振型和固有振动频率;将组合梁结构简化为一个简单的广义单自由度体系进行动力学分析,并在此基础上求得其失效点挠度时程函数。(4)使用有限元分析软件SAP2000,对组合梁结构进行连续倒塌动力性能分析,模拟其在真实倒塌情况下的工作状态和受力特点,分析了失效点挠度、关键梁柱构件等内力的时程曲线,并将分析得到的DMF与已有研究结果进行对比,讨论其合理性;分析不同变量对组合梁结构动力倒塌性能的影响。
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