建筑结构连续倒塌性能研究进展

在爆炸、撞击等偶然载荷作用下,建筑结构中部分关键承重构件失效可能导致后果极为严重的结构整体连续倒塌破坏.本文对国内外建筑结构连续倒塌性能的试验研究和理论分析成果进行了总结,分析了结构倒塌过程中的各种抵抗机制及其对结构抗倒塌性能的贡献,对现有的结构抗连续倒塌设计与研究方法进行了评述,并对结构抗倒塌性能的研究进行了展望.     

RESEARCH ADVANCES OF PROGRESSIVE COLLAPSE OF BUILDING STRUCTURES

在爆炸、撞击等偶然载荷作用下,建筑结构中部分关键承重构件失效可能导致后果极为严重的结构整体连续倒塌破坏.本文对国内外建筑结构连续倒塌性能的试验研究和理论分析成果进行了总结,分析了结构倒塌过程中的各种抵抗机制及其对结构抗倒塌性能的贡献,对现有的结构抗连续倒塌设计与研究方法进行了评述,并对结构抗倒塌性能的研究进行了展望.     

平面张弦结构抗连续倒塌的动力分析

杆件由于爆炸、腐蚀等发生脆性破坏后引起剩余结构的振动和压杆由于失稳过程中的弹性突跳（Snap-through）引起的相邻结构振动是张弦结构倒塌过程中常伴生的两种动力现象。本文对第一种动力响应产生的原因、失效构件的模拟方法进行了分析,说明进行张弦结构抗连续倒塌的动力分析应采用初始条件法模拟构件的失效。根据张弦结构的特点,从构件失效和结构失效两方面提出了张弦结构倒塌失效的评估准则,并采用变换荷载路径法通过静力连续倒塌分析找出张弦结构各部分的关键构件;然后采用初始条件法按考虑几何非线性、阻尼比、材料非线性等分别模拟这些关键构件失效引起的动力响应,得到了平面张弦结构各部分构件失效的动力特性、动力放大系数和失效构件的位置,并对不同失效时间进行动力响应分析得到张弦结构动力效应与构件失效时间的关系曲线。最后给出张弦结构进行抗连续倒塌分析的一些结论和建议,如进行连续倒塌动力时程分析时初始失效杆件选取和失效时间取值以及弹性动力放大系数与塑性动力放大系数的区别等,为张弦结构的抗连续倒塌设计提供技术支持和参考。     

建筑结构连续倒塌性能研究进展1）

在爆炸、撞击等偶然载荷作用下,建筑结构中部分关键承重构件失效可能导致后果极为严重的结构整体连续倒塌破坏。本文对国内外建筑结构连续倒塌性能的试验研究和理论分析成果进行了总结,分析了结构倒塌过程中的各种抵抗机制及其对结构抗倒塌性能的贡献,对现有的结构抗连续倒塌设计与研究方法进行了评述,并对结构抗倒塌性能的研究进行了展望。     

基于分离式共结点模型的钢筋混凝土结构爆破拆除数值模拟

通过大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,充分考虑钢筋和混凝土在结构倒塌时各自的受力状态和强度差异,运用分离式共节点模型模拟钢筋混凝土结构建筑物的爆破拆除倒塌过程.通过对倒塌过程中钢筋混凝土支撑立柱内侧和外侧的钢筋单元、混凝土单元的承载失效过程分析研究,对数值模拟效果与实际爆破效果对比分析得出:分离式共结点模型...     

构件失效后钢筋混凝土框架结构倒塌响应特性分析

利用OpenSees有限元软件,将抽柱法与有限元法相结合;并假定构件的局部失效位置,通过引入不同的结构参数,如结构的层数、层高、跨度等,分析了其对结构倒塌响应的影响;研究了结构在静力Pushdown分析和动力非线性分析条件下的结构倒塌响应特性。结果表明:柱失效位置对结构的静力Pushdown分析和动力非线性分析结果有较大影响,其中边柱的失效导致结构的抗倒塌能力明显降低,并在地震作用下随着失效点位移加大,振动规律也趋于不稳定;结构的极限承载力随着框架结构层数的增加而增加,极限位移和延性则随着层数的增加而降低,动力加载条件下结构失效位置的竖向位移随着层数的增加而增大;随着层高的增加,结构的极限承载力则逐渐降低,但对结构极限位移和延性的影响并不明显;跨度的增加使结构的极限承载力明显下降,延性略有降低,但极限位移和初始刚度却随之增加。以上规律性研究结果为钢筋混凝土框架结构的抗倒塌设计提供了必要的依据。     

大跨度预应力双层组合扭网壳连续倒塌机理及其控制研究

大跨度预应力双层组合扭网壳结构造型优美,主要应用于体育馆等公共建筑,其连续倒塌始于主要压杆的失稳。本文研究了该结构的连续倒塌机理,分析了套管构件(一种失稳被动控制构件)对结构倒塌的控制作用。采用考虑初始条件的等效荷载卸载法,对结构进行了动力时程分析。结果表明:拆除1根预应力钢索,结构会发生连续倒塌破坏,预应力钢索是结构的关键构件;拆除支座附近2个、3个节点和其它位置的节点,结构不会发生连续倒塌;拆除支座附近4个节点时,结构会发生连续倒塌破坏。在最先出现塑性铰的位置及位移最大的位置布置套管构件,其对结构倒塌的控制作用较差;在受力最大位置布置套管构件,其对结构倒塌的控制作用较好;当布置2根套管构件时,可以有效控制结构的连续倒塌破坏。     

基于能量法的半刚性钢框架连续倒塌抗力分析

为研究半刚性钢框架结构的抗连续倒塌能力,基于能量法推导半刚性钢框架在连续倒塌工况下的抗力-位移曲线,得到各倒塌阶段的抗力表达式,从小变形状态下的梁机制和大变形状态下的悬链线机制分阶段研究半刚性钢框架结构的抗力性能;通过与已有试验的数据结果对比分析,验证了理论公式的可靠性.结果表明:提出的半刚性钢框架的连续倒塌抗力表达式计算过程简单,结果可靠,可实现对结构连续倒塌抗力的快速分析,为相关设计提供了依据.     

ENERGY-BASED PROGRESSIVE COLLAPSE RESISTANCE ANALYSIS OF STEEL FRAME STRUCTURES WITH SEMI-RIGID CONNECTIONS1)

为研究半刚性钢框架结构的抗连续倒塌能力,基于能量法推导半刚性钢框架在连续倒塌工况下的抗力-位移曲线,得到各倒塌阶段的抗力表达式,从小变形状态下的梁机制和大变形状态下的悬链线机制分阶段研究半刚性钢框架结构的抗力性能;通过与已有试验的数据结果对比分析,验证了理论公式的可靠性.结果表明：提出的半刚性钢框架的连续倒塌抗力表达式计算过程简单,结果可靠,可实现对结构连续倒塌抗力的快速分析,为相关设计提供了依据.     

基于整体易损性的猫头型输电塔抗倒塌能力分析

作为输电线路的主要组成部分,输电塔结构对地震作用非常敏感。本文以中国输电线路中常采用的猫头型输电塔结构为例,开展了输电塔结构整体抗地震倒塌能力分析。以某一实际单回路3个不同高度的直线塔为研究对象,基于OpenSees平台建立输电塔结构三维有限元模型,定义4个倒塌极限状态依据,选取20条远场地震动记录,采用增量动力分析(IDA)方法,得到4个倒塌极限状态依据下输电塔结构的倒塌点,进一步获得输电塔结构的倒塌易损性曲线及其潜在失效杆件,并评估其在不同水平设计地震作用下的倒塌裕度比。研究结果表明,猫头型输电塔的地震损伤主要集中在塔头位置;随着塔体高度的增高,猫头型输电塔抗地震倒塌能力减弱;猫头型输电塔在巨震作用下存在一定的倒塌风险。     

基于能量法组合梁倒塌工况下的抗力分析

框架结构在竖向承重构件突然发生破坏的情况下主要通过两个抗倒机制防止连续倒塌的发生,分别为小变形状态下的梁机制以及大变形状态下的悬链线机制.组合楼板由于平面刚度大,可以显著提高框架结构的抗倒性能.将混凝土楼板-钢框架结构简化为组合梁结构进行分析.对已有研究得到的抗力曲线进行适当简化,并运用能量法分析抗倒各个阶段的受力特征以得到曲线各个阶段的表达式.随后应用大型有限元分析软件ANSYS对理论公式的可靠性进行算例验证,说明提出的分析方法较为合理,同时可以发现楼板对结构抗倒有明显的的加强作用.     

Approximate analysis of progressive deformation in honeycomb structures subjected to in-plane loading

Progressive deformation of honeycomb structures subjected to in-plane loading was approximately analyzed by using the collapse modes of hexagonal unit cells. The collapse modes were categorized as freely compressive, restricted compressive, and shear. Moreover, there were five characteristic deformation patterns, namely deformation bands. Average stresses of the collapsing honeycomb models were evaluated in terms of the plastic collapse stress per hinge and total number of hinges of progressively arising deformation bands. The displacements of the models were obtained by multiplying the displacement per cell with the number of collapsed cells. The present method was used to analyze progressive deformation of typical honeycomb structures. The validity of the stress–displacement relations derived for some structures was confirmed by comparing them with finite element method (FEM) results. Our method is much simpler than FEM but just as effective.     

Optimal design of steel frames accounting for buckling

A formulation of a special design problem devoted to elastic perfectly plastic steel frame structures subjected to different combinations of static and dynamic loads is presented. In particular, a minimum volume design problem formulation is presented and the structure is designed to be able to elastically behave for the assigned fixed loads, to elastically shakedown in presence of serviceability load conditions and to prevent the instantaneous collapse for suitably chosen combinations of fixed and ultimate seismic loadings as well as of fixed and wind actions. The actions that the structure must suffer are evaluated by making reference to the actual Italian seismic code. The dynamic response of the structure is performed by utilizing a modal technique. In order to prevent other undesired collapse modes further constraints are introduced in the relevant optimization problem taking into account the risk of element buckling. Different applications devoted to flexural frames conclude the paper. The sensitivity of the structural response has been investigated on the grounds of the determination and interpretation of the Bree diagrams of the obtained optimal structures.     

Dynamic crushing characteristics of high strength steel cylinders with elliptical geometric discontinuities

Thin-walled members are commonly used as energy absorbers in engineering structures and often contain cutouts. This study performed numerical simulations of high strength steel cylindrical shells with elliptical cutouts subjected to dynamic axial impact. The LS-DYNA code was the primary analytical tool used to analyze the influence of cutout locations, cutout shapes and symmetry of cutout on the energy absorption capabilities and the crush characteristics of tubes with a cutout. For high strength steel tubes made from a rate sensitive material, the stress-strain curves of different strain rates were used to elucidate the effect of dynamic impact on the strain rate. Our results show that collapse crushing behavior is strongly influenced by the location and symmetry of cutouts and the variation of major axis influences the peak crush load.     

结构间隙对夹芯式复合装甲结构抗侵彻性能的影响

采用由厚度为8 mm的前置钛合金板、面密度为60 kg/m2的高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板抗弹芯层、厚度为8 mm的后置钢板构成的夹芯式复合装甲，模拟舰船舷侧复合夹芯舱壁结构。根据面板与芯层间是否设置20 mm的间隙，将复合装甲结构定义为无间隙式、后间隙式及前后间隙式。为研究以上3种结构在55 g圆柱体弹高速冲击下的抗弹性能及破坏机理，开展了系列弹道实验，分析了钛合金板、高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板芯层及钢质面板的破坏模式，探讨了结构间隙对复合装甲结构抗弹性能的影响。结果表明:前置钛合金板的破坏模式为剪切冲塞，靶板背弹面产生脆性断裂并伴随碎块崩落现象；聚乙烯纤维增强复合材料板的破坏模式及钢质背板的变形范围受间隙的影响较大，前置钛合金板受间隙影响较小；相同载荷侵彻下，间隙的存在有利于提高复合装甲结构的抗弹性能。     

Transition from progressive buckling to global bending of circular shells under axial impact––Part II: Theoretical analysis

This is the second paper of a two-part paper investigating the complex phenomenon of the dynamic transition from progressive buckling to global bending collapse of a long circular cylindrical shell subjected to an axial impact. The paper focuses on the theoretical analysis of the phenomenon. The two-phase concept for the deformation of ‘Type II’ structures is employed to explore the influence of the loading parameters and the material and geometrical characteristics of a shell on the critical length that marks the transition between the two collapse modes. Simple models for the initial compressive phase in the case of global bending and for the development of a single axisymmetric wrinkle in a circular shell, are used to analyse some numerical results presented in Part I of this study [International Journal of Solids and Structures 41 (2004) 1565].