钢筋混凝土梁-板子结构在建筑抗连续倒塌中的受力机理研究

When structures are undergoing the extreme loads, e.g., blast, earthquake and fires, the load-carrying columns are easy to fail and exit to work, and it will consequently cause severe internal force redistribution within the affected reinforced concrete (RC) beam-slab substructure. This project takes the RC beam-slab substructure formulated due to the failure load-carrying column removed from the main structure as the test beds, and a mix set of studies are conducted, including experimental studies, theory analysis and finite element simulations. The objective of this project is to illustrate the mechanisms of the substructure in mitigating progressive collapse of the whole structure. The main contents include four components as follows. (1) Three typical RC beam-slab substructures, which are generated by locating failure columns in different positions of a predesigned RC frame structure, will be tested in order to invest load transformation paths and failure modes through applying static load into the substructures. (2) The mechanism behavior and calculation method for the ultimate bearing capacity of RC beam-slab substructures will be proposed based on the yield-line theory, membrane effects for slabs and catenary action for beam. (3) The finite element models will be established specially for the test substructures, and the simulation results through finite element analysis will be compared with the test results. (4) The dynamic effects induced by column failures will be further considered in numerical simulations, and some rational load-amplification factors will be finally suggested.

在遭遇爆炸、地震和火灾等极端荷载时，结构中的承重柱容易失效并退出工作，进而引发该柱周边的梁和板产生显著的内力重分布。本项目针对失效柱周边的梁和板共同组成的梁-板式子结构，采用试验研究、理论分析和有限元模拟相结合的方法，研究其在连续倒塌过程中的受力机制。主要内容有：(1) 开展结构中不同位置处柱子失效所出现的3种典型钢筋混凝土梁-板结构的力学性能试验，研究该类结构在静力加载下的荷载传递路径和破坏模式；(2) 基于屈服线理论、薄膜效应和悬链线效应的研究成果，研究钢筋混凝土梁-板的受力机理，建立相应的极限承载力计算方法；(3) 建立静力加载下的有限元分析模型，将分析结果与试验结果进行对比；(4) 在数值模拟中进一步考虑柱子失效引起的动力效应，并给出合理的荷载放大系数的建议值。

在遭遇爆炸、地震和火灾等极端荷载时，结构中的承重柱极易失效并退出工作，进而引发该柱周边的梁和板分别产生显著的内力重分布来共同抵抗外部荷载。若形成的梁-板结构具有足够的承载力，对防止结构的连续倒塌具有积极的作用。.为研究上述梁-板结构的受力机理，本项目研究了常温和火灾高温下的钢筋混凝土板在遭遇大变形等极限条件时的承载力计算方法、两种形式的钢-混凝土组合梁构件的火灾倒塌试验研究。通过研究，主要得出了以下结论：.(1)将薄板理论的经典Navier法和屈服线理论相结合，可以分析受拉薄膜效应产生的机理，并计算出钢筋混凝土双向板的极限承载力和荷载-挠度全过程曲线，精度较好。.(2)火灾下钢筋混凝土板内产生的受拉薄膜效应能显著提供板的承载力，对维持结构的整体性具有重要作用。基于上述常温板的计算方法和材料的高温劣化特性，可以建立火灾下钢筋混凝土楼板的倒塌承载力计算方法。经验证，试验值与理论计算值吻合较好。.(3)开展两种型式的钢-混凝土组合梁的高温试验研究。研究发现，该类试件在火灾作用下具有较好的变形能力（均达跨度的1/20），整体性能较好。基于试验数据，分别研究钢梁内的悬链线效应和楼板内的受拉薄膜效应的发展情况。.(4)为进一步研究钢-混凝土组合楼板的抗倒塌能力，本项目将进一步开展相关研究工作。目前，该类试件已经加工完毕，正处于养护期。.通过本项目的研究，可以掌握建筑结构中梁和板在大变形时的受力机理及其共同作用，为建立该类梁-板结构的抗倒塌设计方法提供依据。.