异形柱结构倒塌机制和防控关键技术研究

混凝土异形柱结构多用于住宅建筑，由于异形柱结构柱肢较矩形柱薄弱，在意外事件发生时可能由于柱肢毁损引起整体结构的连续倒塌，因此异形柱结构的灾变防控和安全性评价尤为重要。本项目结合混凝土异形柱结构的特点，进行异形柱空间结构倒塌试验，分析结构的倒塌过程和结构倒塌冲击的动力特征，研究结构动力倒塌机制。通过混凝土异形柱结构倒塌过程精细化建模的动力分析，判定异形柱结构关键构件，研究倒塌传力途径、动力效应、倒塌判定标准及倒塌防控参数，建立倒塌破坏的防控措施和设计原则。项目对提高我国异形柱结构的抗灾能力和倒塌防控具有重要理论和工程应用意义，也为混凝土异形柱结构相关规程条文的制定及结构抗连续倒塌研究提供试验和理论参考。

目前，国内外学者对异形柱结构的研究都主要针对异形柱构件、节点和异形柱框架的受力性能和抗震性能，对异形柱结构抗倒塌性能的研究尚属空白。异形柱结构与矩形柱结构是柱截面形式不同的两种不同结构体系，相对于柱截面形状相对规则、简单并且具有对称性的矩形柱结构，异形柱框架结构柱截面形状不规则，受力性能也更加复杂。而异形柱框架结构多用于住宅建筑，一旦发生倒塌势必会造成严重的生命财产损失。本项目首先采用试验研究和有限元分析对比的方法研究配置不同强度钢筋异形柱的抗震性能和延性。研究结果表明：在异形柱中配置高强钢筋可以显著提高构件的承载力，提升构件的变形能力，同时试件的耗能能力和累积损伤发展性能也得到改善，具有较好的抗倒塌能力。在此基础上为了研究多层空间钢筋混凝土异形柱框架结构在竖向承重构件失效时的抗倒塌性能和破坏机理，按照我国规范以1:3的缩尺比例设计制作了一个2层2×3跨的钢筋混凝土异形柱框架结构模型，对底层短边中柱和角柱失效工况下结构的抗倒塌能力分别进行动力撤柱试验和荷载作用下的静力倒塌试验，通过试验研究和理论分析研究异形柱结构的抗倒塌性能和异形柱结构倒塌过程中的破坏机理及其抗倒塌机制。试验研究表明，根据现行规范设计的混凝土异形柱框架在底层柱失效后具有较强的抗倒塌能力，梁柱节点是异形柱框架抵抗倒塌的薄弱部位，需要进一步加强。在上述试验研究的基础上提出了异形柱框架结构抗倒塌承载力的简化计算方法，采用此方法对类似的混凝土异形柱框架结构进行抗倒塌承载力估算，提出评估混凝土异形柱框架鲁棒性的量化方法，可根据确定的撤柱顺序来计算对应的鲁棒性指标，通过混凝土异形柱框架结构有限元分析模型对试验框架抗倒塌性能进行分析，分析结果与试验结果吻合良好，在此基础上完成的有限元分析结果表明，提高抗震设防烈度可以显著增强异形柱框架的抗倒塌能力，在同样的设计与使用条件下，配筋相同的异形柱框架结构和矩形柱框架结构的抗倒塌能力相当。