体外预应力钢筋混凝土框架抗连续倒塌性能研究

A progressive collapse of a building is initiated by accidental actions that causes local damage may result in a great loss on people's life and property such as gas exploration, terrorist attack, fire, etc. The structure will deform largely under accidental loads, and accumulate the damage which results in the failure of weakness parts or critical elements. When critical element such as a column becomes failure, the beam needs to form catenary action to realize the structural internal force redistribution, which makes the structure have the spanning ability to avoid progressive collapse. External prestressing tendon has the advantage of high strength and large deformation. It can function together with the beam to prevent the increase of deformation of the structure with catenary action, so that to prevent progressive collapse of the structure. Study on progressive collapse performance of RC frame with external prestressing tendons due to sudden column loss is carried out using pesudo-dynamic test and nonlinear static pushdown analysis method. Influence of design parameters of external prestressing tendons on resistance distribution of RC frame are investigated and the load carrying and catenary action mechanisum of RC frame with external prestressing tendons under the failure of column is studied, and a simplified calculation method for ultimate bearing capacity considering catenary action is presented for collapse-resistant design and reinforcement or reconstruction design of RC frame with external prestressing tendons.

燃气爆炸、恐怖袭击、火灾等偶然作用引起的建筑结构局部破坏后所产生的连续倒塌可能造成生命和财产的严重损失。在偶然荷载作用下，结构产生非线性大变形，且不断积累损伤，导致结构薄弱部位或关键构件失效。当关键构件，如柱子失效时，失效柱处梁需形成悬索效应来实现结构内力重分布，使结构具有良好的跨越能力，才能避免结构发生连续倒塌。体外预应力钢筋具有强度高，变形大的优点，可以与框架梁共同作用，利用悬索效应，阻止结构变形的进一步增大，从而防止连续性倒塌。本项目拟通过拟动力试验手段和非线性静力pushdown分析方法，开展体外预应力钢筋混凝土框架在柱失效后的抗倒塌性能研究，探明体外预应力钢筋的设计参数与框架抗连续倒塌抗力分布规律关系，揭示体外预应力钢筋混凝土框架在柱失效后的受力机制与悬索作用机理，提出考虑预应力钢筋悬索作用效应的结构极限承载力计算方法，为进行体外预应力钢筋混凝土框架设计及加固与改造设计提供参考。

本项目围绕体外预应力结构在极端灾害下的抗倒塌性能展开研究，通过静力试验手段和理论分析方法，开展了体外预应力钢筋混凝土框架在关键柱失效后的抗倒塌性能研究，主要的研究工作如下：（1）通过对单层双跨体外预应力钢筋混凝土模型框架进行静力倒塌实验，分析了框架在局部竖向构件失效后的受力机制与悬链线作用机理，并对比了框架在预应力筋加固前后破坏形态与极限承载力的变化。研究结果表明：中柱失效后，体外预应力钢筋混凝土框架的连续倒塌过程分为4个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段、受压混凝土破坏阶段和悬链线作用阶段，结构主要通过压拱机制和悬链线机制进行内力重分配。悬链线机制提供的抗力由侧向约束的刚度和强度决定，当柱对梁提供的水平约束不足时，框架的倒塌抗力随竖向位移的增大而不断下降。体外预应力筋可提高框架的开裂荷载、压拱作用阶段的峰值荷载以及悬链线作用阶段的极限荷载；（2）进行了体外预应力钢筋混凝土框架的数值模拟分析，研究了混凝土强度等级、布筋形式、初始预应力值和转向块等参数对钢筋混凝土框架倒塌抗力的影响，探明了体外预应力框架的设计参数与倒塌抗力分布规律关系；（3）结合试验结果与现象对试验模型框架受力过程进行了分析，建立了基于结构变形的体外预应力筋应力变化分析方法，推导出了体外预应力钢筋混凝土框架倒塌破坏的极限荷载简化计算公式，可用来预估体外预应力钢筋混凝土框架考虑悬链线作用的极限承载力。研究成果将为体外预应力钢筋混凝土框架的抗倒塌结构设计提供更为可靠的试验依据，也为既有钢筋混凝土框架结构的抗连续倒塌加固和改造提供依据。