基于多层次子结构的钢框架抗连续倒塌能力量化评估及设计对策

Progressive collapse of a building structure is a disastrous three-dimensional overall failure phenomenon. At present, the theoretical and experimental studies on progressive collapse of the steel frame structure at home and abroad mainly focus on the description of anti-collapse mechanism of the component or double-span beam substructure. There are still some shortage in quantitative analysis of anti-collapse performance at the overall structure level, which makes it difficult to accurately quantify the anti-collapse capacity of the structure and put forward design countermeasures. This project is based on a multi-level substructure composed of a longitudinal and transverse beam substructure, a beam-slab substructure and an inter-floor combination substructure with non-linear boundary constraints. The theoretical analysis, experimental research and numerical simulation are combined to do a level of quantitative research about the spatial effect of longitudinal and transverse beams, the membrane effect of the slab and the inter-floor combination of the failure area. Considering the influence of asymmetric span, the relationship between the whole structure and multi-level substructure is revealed, and the quantitative description of the resistance of the whole structure is realized. Based on the resistance of the multi-level substructure, the resistance curves of each structural sample are obtained. Then a probability model for evaluating the anti-collapse capacity of the structure is constructed and a quantitative evaluation method for the anti-collapse capacity of the structure is proposed. Based on the anti-collapse performance improvement of the multi-level substructure, the corresponding design strategies for achieving the anti-collapse capacity of the structure are given. The results of the project can provide theoretical basis and technical support for quantitative assessment of anti-collapse capacity and design method of steel frame.

建筑结构连续倒塌是一种灾害性的三维整体破坏现象，目前国内外对钢框架结构连续倒塌的理论和试验研究主要集中于构件或双跨梁子结构的抗倒塌机制描述，在整体结构层面的抗倒塌性能量化分析还存在较多不足，很难准确量化评估结构的抗倒塌能力及提出设计应对对策。本项目基于由非线性边界约束的纵横梁子结构、梁板子结构及层间组合子结构构成的多层次子结构，采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，逐层次量化分析纵横梁空间作用、楼板薄膜效应及失效区层间组合作用，并考虑跨度不对称的影响，揭示整体结构与多层次子结构的关联性规律，实现整体结构抗力的量化描述；基于多层次子结构抗力获得各结构样本的抗力曲线，构建评估结构抗倒塌能力的概率模型，提出量化评估结构抗倒塌能力的方法；基于多层次子结构的抗倒塌性能提升，给出用于达成结构抗倒塌能力的相应设计对策。项目成果可为钢框架结构抗倒塌能力量化评估及设计方法提供理论依据和技术支撑。

如何系统揭示建筑结构在偶然荷载作用下的抗倒塌机制性能，并准确评估其抗连续倒塌能力，给出相应的设计对策，是建筑结构抗连续倒塌亟待解决的重要问题之一。本项目基于由非线性边界约束的纵横梁子结构、梁板子结构及层间组合子结构构成的多层次子结构，采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，逐层次量化分析纵横梁空间作用、楼板薄膜效应及失效区层间组合作用。基于多层次子结构，构建了梁端轴向和转动约束刚度的非线性力学模型，并给出了相应的理论计算式，实现了多层次子结构模型的力学性能描述。通过10个模型试验试件和精细化数值模拟获得了多层次子结构的破坏模式、变形能力、内力发展和抗力机制。纵横梁子结构、梁板子结构和层间组合子结构均经历梁机制阶段、压拱机制阶段、梁机制和悬链线机制混合阶段以及悬链线机制阶段。其中，悬链线机制的形成和发展需要梁柱连接具有较大的转动能力和梁柱间可靠的拉结力。对于层间组合子结构在中柱失效后的抗力贡献主要集中在失效层，用单层子结构简单叠加来评估结构的抗倒塌能力会高估结构的整体抗倒塌能力。并采用基于螺栓简化的多尺度数值模型可较好地反映多层次子结构结构的主要响应，从而有效地提高了结构抗倒塌能力的量化分析和评估效率。另外，针对全焊连接、狗骨式连接及梁腹板开孔连接在连续倒塌条件下有限的抗倒塌能力，基于概念设计法，分别提出了增加新型耗能盖板、V型构造板和M型构造板来提高节点的抗倒塌能力，结果表明改进后节点的抗力和变形得到了较大幅度的提升，可形成显著的抗力提升阶段，有助于促进梁构件悬链线机制的充分发展，并给出了提升其抗倒塌能力的设计策略，研究工作完成了预期的研究目标。研究成果可为钢框架结构抗连续倒塌能力量化评估及设计方法提供理论依据和技术支撑。