钢筋混凝土结构抗爆炸连续倒塌机理与防护设计方法研究

The widely used alternate load path method cannot take into account the specific disaster loading, which is not suitable for blast-induced progressive collapse analysis and protective design of reinforced concrete (RC) structures. Aiming at this problem, the project is planned to carry out researches on numerical model for progressive collapse, progressive collapse mechanisms and protective design method of RC structures under blast loading. Firstly, the damage mechanisms of RC beam/columns, RC joints and RC floor systems are studied to establish the reduced numerical models. Secondly, the numerical model for progressive collapse of RC structures is established through integrating the numerical models in the component level. And the progressive collapse mechanism of RC structures subjected to blast loads is studied. Finally, the progressive collapse modes and the relationships between local collapse and overall collapse are examined for establishing the protective design method for RC structures to resist progressive collapse. The achievements of this project will provide solid theoretical foundations and technical supports for establishing blast-induced progressive collapse resistant design standards of RC structures, improving the blast resistance and safety of RC structures in our country.

结构连续倒塌分析广泛采用的替代传力路径法无法考虑具体的灾害荷载作用，并不适用于钢筋混凝土结构抗爆炸连续倒塌分析与防护设计。针对这一问题，本项目拟系统开展爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构连续倒塌分析模型、抗连续倒塌机理及防护设计方法的研究。通过爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构梁、柱、连接节点及楼板体系损伤破坏机理的研究，建立构件层次简化单元分析模型；通过集成构件层次的单元分析模型，建立爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构连续倒塌分析模型，并开展钢筋混凝土结构抗爆炸连续倒塌机理研究；基于结构层次倒塌分析模型，研究爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构连续倒塌模式及局部倒塌与整体倒塌之间的关系，建立钢筋混凝土结构抗爆炸连续倒塌防护设计方法。研究成果将为编制钢筋混凝土结构抗爆炸连续倒塌设计标准提供坚实的理论基础和技术支撑，从而提升我国钢筋混凝土结构抗爆安全性。

针对当前基于替代传力路径法的结构连续倒塌分析方法无法考虑具体灾害荷载作用，可能导致结构抗爆炸连续倒塌设计偏于不安全的问题，项目从材料、构件、子结构、整体结构等层次开展了系统性研究工作。将非局部积分算法引入传统混凝土材料本构模型中，建立了考虑应变率效应的Mazars非局部损伤本构模型；构建了基于传统纤维梁单元与修正斜压场理论（MCFT）的梁柱构件单元分析模型、考虑剪切损伤的节点宏观模型、基于分层壳单元的楼板分析模型；将构件模型、节点宏观模型及楼板体系模型进行集成，建立了爆炸作用下钢筋混凝土结构损伤破坏与连续倒塌分析高效数值模型；设计了7个缩尺钢筋混凝土梁柱子结构，开展了静力pushdown、爆炸冲击后静力pushdown试验，研究了爆炸荷载对节点区及结构抗连续倒塌性能的影响。研究结果表明，Mazars非局部损伤本构模型可消除力-位移曲线下降段的网格相关性，得到客观的模拟结果，克服局部模型的缺陷；构件单元分析模型可有效模拟爆炸作用下梁柱构件及节点区剪切破坏；结构连续倒塌高效分析模型可准确模拟爆炸作用下钢筋混凝土结构损伤破坏过程。研究成果已初步用于建立结构关键构件CFRP包覆抗爆加强设计及基于目标损伤值传力路径优化的结构抗爆炸连续倒塌设计方法，可为编制钢筋混凝土结构抗爆炸连续倒塌设计相关标准提供坚实的理论基础和技术支撑，提升我国钢筋混凝土结构抗爆安全性。