钢筋混凝土梁板体系在结构连续倒塌中的荷载传递机理研究

With the development of urbanization and the expansion of city population, a great many high-rise buildings are built and planned. The progressive collapse of buildings due to occasional loads (such as gas explosion and terrorist attacks, etc.) can cause severe loss of human lives and properties. Therefore, improving the progressive collapse resistance of structures has a significant social and economic impact. Based on the background of perimeter middle column removal and exterior penultimate column removal scenarios, with laboratory experiments and numerical analysis, this project aims at investigating the load transfer mechanisms of reinforced concrete (RC) beam-slab systems subjected to progressive collapse, which dominates the last defense line against progressive collapse of RC structures. The project will also investigate the effects of geometric and material parameters, boundary conditions and loading types of beam-slab sub-assemblages on their load transfer mechanisms, as well as the individual contribution of beams and slabs to the progressive collapse resistance. The research results will show the potential alternate load paths (ALP) of beam-slab systems and the proper conditions to use these ALPs as well as their progressive collapse resistance. The goal of the tying force approach (i.e. the most economic design approach) against progressive collapse is achieved through the reinforcement within beams and slabs. Therefore, the research results can provide theoretical basis and experimental data for tying force design of RC structures, helping to enhance the progressive collapse capacity and the robustness. Finally, the results will be used to propose a simplified method to calculate progressive collapse capacity of beam-slab sub-assemblages, which will be available in engineering practice.

随着中国城市化的发展和城镇人口的密集化，高层建筑结构越来越多。由偶然荷载作用（如煤气爆炸和恐怖袭击等）引起的结构倒塌会造成严重的生命财产损失。为此，提升结构防连续倒塌能力具有重要社会意义和经济价值。本项目拟以边中柱和边邻角柱移除两种工况为背景，通过模型试验和数值分析，研究钢筋混凝土梁板体系在结构连续倒塌中的荷载传递机理，因其决定了结构抗倒塌的最后一道防线；同时，揭示梁板子结构材料与几何参数，边界条件和加载方式对梁板体系荷载传递机理的影响，以及梁板各自对防倒塌抗力的贡献。研究结果将揭示梁板体系潜在的备用荷载传递路径及其适用条件和抗倒塌效果。鉴于钢筋混凝土结构的拉结设计（最经济的抗倒塌设计方法）需要通过梁板中的钢筋来实现抗倒塌，所以本项目的研究成果可为拉结设计提供理论依据及试验数据，以提升结构的抗倒塌能力和鲁棒性。最后，研究结果用于建立计算梁板子结构抗倒塌能力的简易算法，以便工程设计人员使用。

结构的连续倒塌是一种低概率高严重后果的灾害。随着我国城市化进程和高层建筑结构的大量应用，连续倒塌对应的灾害后果越发严重。但目前关于防止连续倒塌的设计方法还是基于有限的灾后事故调查，概念设计以及常规的弹塑性分析，而对结构在大变形阶段的强度储备以及相应的荷载传递机理认识不足，故本研究针对能充分发挥大变形承载能力的钢筋混凝土（RC）梁板子结构的抗倒塌性能进行了基础性研究。.本项目对RC梁板及相应梁柱子结构在不同边柱失效工况下进行了试验和数值研究，揭示了边界条件和加载方式等外在因素以及钢筋用量及配筋形式等内在因素对RC梁板子结构防倒塌抗力的影响，以及梁板各自的荷载分担比，为整体结构的抗连续倒塌数值分析提供了充足的理论支持。考虑到RC梁柱及梁板子结构防倒塌抗力形式的多样性以及倒塌具有动力效应的自然属性，建立了广义的非线性等效单自由度模型，以便结合结构抗力进行倒塌的动力分析。最后，在研究中提出了便于工程师快速计算梁板体系抗连续倒塌承载力的简化方法。.主要结果及结论如下：.（1）在均布荷载作用下，RC梁板子结构的破坏模式为板中出现明显屈服线以及大量裂缝，对应着拉伸薄膜作用的发挥。框架梁的局部破坏主要集中在框架梁的负弯矩区。.（2）RC梁板子结构在边中柱失效条件下的荷载传递机理主要是小变形阶段（位移小于一倍梁高）的框架梁的压拱和弯曲作用以及在大变形阶段的框架梁的悬索作用和板的拉伸薄膜作用。相比之下，边邻角柱失效时RC梁板子结构的拉膜作对结构承载力的提升不如边中柱工况显著。.（3）与纯框架相比，板的存在不仅与框架梁在负弯矩区形成L形和T形的组合截面增加弯矩承载力，从而增大了横梁对结构抗力的贡献，而且板通过拉伸薄膜作用增大了结构的防倒塌承载力。如果考虑结构抗倒塌进入大变形阶段，需要显式考虑板的贡献而非转化为等效翼缘。.（4）在梁柱子结构发展悬索作用时，构件的变形能力主要由塑性铰区的弯曲转动和节点界面处钢筋滑移导致的固端转动两部分贡献。其中，弯曲转动对应着较为均匀的材料变形，而固端转动主要集中在一条裂缝，对应于钢筋的应变集中，更易导致钢筋断裂。.（5）增加结构阻尼可提升结构的防连续倒塌能力，尤其是在阻尼较大时（如大于10%以上）以及结构倒塌的动力响应经过抗力的软化段。同时，从预防多灾场的角度出发，通过减震装置提升抗震能力的结构，由于结构阻尼变大从而具有更好的抗连续倒塌能力。