平面组合框架子结构抗落层冲击性能研究

作     者：王大铭 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨波

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：连续倒塌 平面组合框架 冲击试验 数值模拟 能量吸收 

摘      要：建筑结构在使用年限内可能会遭遇爆炸、撞击等偶然事件,这会对结构造成严重的初始损伤。这种初始损伤可能会引发连锁反应,导致破坏范围不断扩大,结构发生连续倒塌,造成重大的人员伤亡及财产损失。导致结构破坏范围扩大的原因有很多,落层冲击是其中一种。落层冲击是指结构在遭遇极端偶然荷载后发生初始破坏,上层结构向下塌落冲击下层剩余结构的情况,在伦敦Ronan Point公寓倒塌事件、纽约世贸大厦倒塌事件以及近期发生的佛罗里达州公寓倒塌事故中,落层冲击均有发生。因此,研究结构的抗落层冲击性能具有重要的现实意义。组合结构具有承载力高、抗震性能好、施工方便等诸多优点,在实际工程中的应用也日益增多,而关于其抗冲击性能的研究相对较少。本文针对平面组合框架子结构的抗落层冲击性能开展以下研究工作:(1)利用ANSYS/LS-DYNA软件进行冲击试验设计预分析。建立了已有钢结构及组合结构冲击试验的有限元模型,并根据试验结果验证了模型的准确性。进行组合结构冲击试验的试件设计,基于经验证的有限元模型对反向槽钢连接组合结构冲击试验进行模拟,发现当总冲击能量不变时提高冲击速度以及增加冲击次数有助于结构抵抗冲击荷载,而冲击物质量的改变以及小范围的落锤偏心、偏转等情况对结构抗冲击性能无影响,为冲击试验设计提供参考依据。(2)完成了 3个节点形式不同的平面组合框架子结构冲击试验,3种节点形式包括栓焊混合连接(WUF-B)、剪力板连接(FP)以及反向槽钢连接(RCC),分别代表了刚性节点、铰接节点以及半刚性节点。基于试验数据,将试件抵抗冲击荷载的过程分为3个阶段,在阶段1,试件主要通过惯性效应抵抗冲击力,在阶段2和阶段3,试件主要通过承载力抵抗冲击力。在前两个阶段试件吸收冲击能量,在阶段3试件释放通过弹性变形储存的冲击能量。结构抗力由弯曲效应、压拱效应和悬链线效应提供,其中压拱效应贡献有限可以忽略,弯曲效应在冲击全过程始终提供了最多的承载力贡献,悬链线效应仅在大变形阶段提供承载力。在节点出现破坏前,随着变形的增加,结构抗力不断提高。良好的抗弯性能和变形能力是结构抵抗冲击荷载的关键,RCC试件抗弯和变形能力最好,因此拥有最好的极限抗冲击性能,WUF-B试件次之,FP试件最差。(3)完成了试验中9次冲击的有限元模拟,利用数值分析论证了使用增加落锤质量的单次冲击模拟多次冲击的可行性,并完成了 3个试件多次冲击的有限元模拟,基于经验证的有限元模型开展参数化分析。结果表明,相比于纯钢结构,组合板的存在可以使WUF-B试件、FP试件以及RCC试件的能量吸收能力分别提高29.5%、17.6%以及13.0%。组合板中混凝土的强度或厚度、压型钢板厚度、纵筋配筋率以及组合结构抗剪连接强度的提高均有利于结构抵抗冲击荷载,其中WUF-B试件抗冲击性能受混凝土板厚度和压型钢板厚度的影响较大,FP试件和RCC试件受纵筋配筋率影响最大。结构跨高比的增加会增大失效位移,降低最大承载力和能量吸收能力。相比于静力加载工况,冲击荷载作用下WUF-B试件和FP试件的能量吸收能力分别提高了 12.9%和8.9%,而RCC试件的能量吸收能力下降了 6.1%。