钢框架结构的连续性倒塌分析与加固

This study investigates the role of slabs in collapse resistance of a steel frame building. An experiment is firstly carried out to study the behavior of a one story steel frame structure subjected to loss of the mid-column. The specimen includes the reinforced concrete slabs and wide flange beams and columns. Then a detailed 3-D computational model of the specimen is created and is validated against the experimental data. After that, nonlinear analysis is carried using the computational model. Combined with the test data, the simulation results are used to quantify the sources of collapse resistance of the steel frame structure, especially those from the slab system, including the composite effects between the slabs and the steel beams and the slab membrane action. As is shown in the previous study by the author, the “Tie Force Method” proposed in “Design of Buildings against Progressive Collapse” can protect the buildings against progressive collapse effectively under column loss scenarios. On the basis of this finding, a retrofit strategy for mitigating progressive collapse for existing steel frame structures by providing adequate ties using FRP is proposed. The efficiency of the proposed method is evaluated experimentally and numerically.

主要针对楼板对钢框架结构鲁棒性的影响进行了研究。本项目主要研究内容以及意义包括：（1）进行了包括楼板、梁和柱等结构构件的钢框架子结构倒塌试验，并且令该试验发展成为今后钢框架结构连续性倒塌数值计算模型验证的Benchmark模型；（2）建立试验模型的三维精细化计算模型，并利用试验数据对其进行验证以确保该计算模型的精确度和可靠性；（3）利用已建立的计算模型，以非线性分析为主要研究方法，从微观角度研究楼板体系在钢框架结构连续性倒塌中所起的作用，特别是组合效应和薄膜效应，并以此为基础建立适用于设计工作的简化楼板计算模型；（4）提出利用FRP提高楼板的拉结强度从而提高现有钢框架结构抗连续性倒塌能力的加固方法，并利用试验研究与数值模拟相结合的方法验证其可行性。总之，本研究对厘清钢框架结构在失柱情况下的倒塌机理，从而进一步发展钢框架结构的抗连续性倒塌分析、设计与加固方法具有理论意义，指导作用和实用价值。

随着钢结构在工业以及民用建筑中的应用日益广泛，在恐怖主义爆炸袭击频繁的今天，研究钢结构建筑，特别是重要建筑，在偶然荷载作用下的结构响应以及抗倒塌性能，具有重大意义。本项目主要针对钢框架结构在中柱失效工况下的鲁棒性了研究。利用试验研究和数值模拟的方法，考察了无楼板以及带楼板三维刚性连接钢框架结构的抗连续性倒塌性能，并分析两大力学机制，即弯曲效应以及悬链线效应对结构抗倒塌能力的贡献；在试验数据的基础上，利用能量法估算结构体系在中柱突然失效后的动力响应。通过对比分析，揭示了楼板体系对钢框架结构抗连续性倒塌性能的影响，并分析了混凝土强度、楼板厚度以及配筋率等参数对钢框架结构抗连续性倒塌性能的影响。研究结果表明，刚性连接钢框架结构具有良好的延性以及抗倒塌性能；楼板对与结构的抗倒塌性能以及结构体系中抗倒塌力学机制的形成和发展都有着十分重要的影响；楼板体系可以提高结构体系的承载力，但是结构的延性有所降低；不带楼板和带楼板的试验模型均不会在中柱突然失效后发生连续性倒塌；美国国防部颁布的结构抗连续性倒塌设计规范（UFC 4-023-03）所给出的计算动力放大系数的方法不够准确也不够保守。在以上研究结果的基础上，提出了能够提高钢框架结构抗连续性倒塌性能的加固方法，即梁柱节点附近钢梁下翼缘加盖板；利用试验和数值模拟验证了该方法的有效性并讨论了该方法的经济性。总之，本研究对阐明钢框架结构在失效工况下的倒塌机理，从而进一步发展钢框架结构的抗连续性倒塌分析、设计与加固方法具有理论意义，指导作用和实用价值。