不同加载位置冲击荷载作用下钢框架—组合楼板子结构抗连续倒塌性能研究

作     者：洪德杨 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨波

授予年度：2022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 钢框架-组合楼板结构 冲击试验 数值模拟 不同加载位置 

摘      要：建筑结构在偶然、极端的情况下可能会发生严重的初始损伤,导致连续倒塌的发生,从而引起严重的人员伤亡和财产损失。因此对建筑物在遭受偶然荷载后结构受力机制的研究对提高建筑物的安全性,保护人员的生命财产安全有重大意义。现有的研究大多采用抽柱法,但落层冲击也是引起结构连续倒塌的一个重要因素。在英国Ronan Point公寓部分倒塌、“9.11事件中世贸大厦的倒塌等事故中均有落层冲击的情况发生。目前国内外已经开展了一些建筑结构抗落层冲击性能的研究,但这些研究中冲击荷载作用位置为跨中或梁柱节点处。在真实情况中,落层冲击可能会作用于下部结构的任意位置,然而相关研究目前比较匮乏。因此对结构在面临作用于不同位置的落层冲击情况下的性能亟待研究。相较于传统的钢筋混凝土结构,钢框架-组合楼板结构具有承载力高、抗震性能好、便于施工等优势,已经大规模推广到实际工程应用中,但对其抗冲击性能的研究较少。本文针对钢框架-组合楼板子结构在不同加载位置的冲击荷载作用下的性能展开研究工作,主要有以下工作:(1)完成了3个不同梁柱连接形式的钢框架-组合楼板子结构冲击试验,3种节点形式分别为栓焊混合连接(WUF-B-1/5)、剪力板连接(FP-1/5)和外伸端板反向槽钢连接(RC-EEP-1/5),分别为刚性节点、铰接节点和半刚性节点。根据试验所得数据,将试件在冲击荷载作用下的动力响应分为2个阶段,阶段1试件主要通过惯性效应抵抗冲击力,阶段2由结构抗力抵抗冲击力,其中包括压拱效应、弯曲效应和悬链线效应。其中压拱效应贡献有限可以忽略,弯曲效应提供了最多的结构抗力,悬链线效应仅在变形较大时产生。结构抗力随着变形的增大而提高直至节点发生破坏。不同的节点形式的试件抵抗冲击荷载的性能有明显差异。RC-EEP-1/5试件有最好的抗冲击性能,WUF-B-1/5试件次之,FP-1/5试件最差。(2)参照过往钢框架-组合楼板结构冲击试验,利用Hypermesh和ANSYS/LS-DYNA软件建立了对应的有限元模型,利用试验数据验证了模型的准确性,基于已验证的模型进行了预分析。发现落锤倾角为0.4°时模拟结果精度最高,钢材强度、冲击速度的增大会令结构抗冲击性能获得提升,而提高混凝土强度对结果影响不大。为之后的有限元建模和参数分析提供了参考依据。(3)完成了试验中3个单次冲击试验的有限元模拟和验证,利用重启动命令完成了多次冲击荷载加载模拟,论证了在总冲击能量相同的情况下加大冲击物质量以单次冲击模拟多次冲击的可行性,并基于经过验证的模型完成了一系列参数分析。结果表明,当冲击荷载作用于试件的不同位置时,试件的抗力机制和吸能能力有所不同,通过引入损伤因数λ评估其节点的破坏时节点处弯矩、轴力和剪力各自的贡献。完成了相关参数分析,组合楼板对WUF-B-1/5试件和RC-EEP-1/5试件抗冲击性能有显著影响,相较于纯钢结构的抗冲击性能分别提升了27.5%和45.8%。提高纵筋配筋率和抗剪连接强度可在一定程度上提高WUF-B-1/5试件和RC-EEP-1/5试件的抗冲击性能。组合楼板、纵筋配筋率和抗剪连接强度对FP-1/5试件的抗冲击性能影响不明显。压型钢板厚度的变化对3个试件的抗冲击性能影响较为有限。