钢筋混凝土结构极端地震倒塌分析本构关系试验研究

全球范围极端地震频发所带来的建筑物倒塌引起的人员伤亡和城市生命线破坏及相应的次生灾害，已经越来越受到人们的关注和重视。采用数值模拟技术研究工程结构的倒塌过程并探明工程结构的倒塌机制和机理，是保障建筑物在极端地震作用下安全的重要手段之一。在极端地震条件下，重大工程结构精细数值模拟离不开材料复杂非线性的动力特性，尤其是考虑材料软化（全曲线）、加载速率、接触界面特性。本项目拟开展混凝土、钢筋、钢筋-混凝土界面动态本构关系（全曲线）试验技术研究，进行相关材料动态试验研究，建立以试验为基础的考虑应变率（10-6 s-1～10-2 s-1）、加载制度（冲击型和三角波）和初始静载（0%、40%、80%、100%）影响的动态本构模型（全曲线）。本项目原创性基础试验成果将为揭示极端地震作用下钢筋混凝土结构的损伤破坏演化过程、损伤机理和破坏倒塌机制以及抗极端地震设计提供理论基础和科学依据。

针对全球范围极端地震频发所带来的建筑物倒塌所引起的人员伤亡和城市生命线破坏及相应的次生灾害等问题，本项目采用数值模拟技术研究工程结构的倒塌过程并探明工程结构的倒塌机制和机理。材料复杂非线性动力特性，尤其是材料软化、加载速率、接触界面特性是研究极端地震条件下工程结构数值模拟的基础。本项目开展了混凝土、钢筋及钢筋-混凝土界面静动态全曲线试验技术、动态本构关系、动态力学特性率效应和主要影响因素的试验研究。试验结果表明混凝土材料具有率效应敏感性，动态强度提高因子(DIF)受应变率、初始静载、养护条件、含水率、水灰比等因素的影响，建立了基于上述影响因素的DIF 模型。由于高应变率下钢筋与混凝土粘结性能试验难以实施，基于SHPB试验系统，本项目开发了一套钢筋与混凝土动态粘结性能试验加载装置，进行了对试件的冲击加载，成功采集了加载过程中荷载和位移数据，实现高应变率下的钢筋与混凝土粘结性能试验。在高粘结应力率段内，随着加载速率的增大，相同滑移量下粘结应力有不断升高的趋势，而极限粘结强度对应的滑移量逐渐减小。基于高应变率下钢筋混凝土粘结滑移试验数据建立了考虑加载速率影响的粘结滑移本构关系。基于上述试验结果建立了考虑应变率（10-6s-1-10-2s-1）、加载制度（冲击型和三角波）和初始静载（0、40%、80%、100%）的混凝土、钢筋、钢筋-混凝土界面本构模型。基于ANSYS/LS-DYNA显式动力有限元软件，对钢筋混凝土平面、空间框架进行爆炸荷载作用下的数值模拟，通过结构的动态响应研究了失效构件位置、配筋方式、钢筋连接方式、配筋率、炸药距离等参数对结构整体连续倒塌行为的影响。基于“降概率——隔危险——抗倒塌”的理念，从建筑安全管理、建筑规划、建筑等级划分、概念措施、计算方法、构件防护等方面逐一入手介绍，建议了钢筋混凝土框架结构的防连续倒塌实用设计方法。本项目原创性试验结果为揭示极端地震作用下钢筋混凝土结构的损伤破坏演化过程、损伤机理和破坏倒塌机制以及抗极端地震设计提供理论基础和科学依据。