混凝土结构防连续倒塌理论
与设计方法研究

Theory and design method for progressive collapse prevention of concrete structures

陆新征, 李易, 叶列平 著

北京:中国建筑工业出版社

2011
混凝土结构防连续倒塌理论与设计方法研究

内容简介

  建筑结构的连续倒塌是指由于偶然作用(如煤气爆炸、炸弹袭击、车辆撞击、火灾等)造成结构局部破坏,并引发连锁反应导致破坏向结构的其它部分扩散,最终造成结构的大范围坍塌。近年来,建筑结构的连续倒塌问题受到工程界的广泛关注,并成为当前结构工程和防灾减灾领域的重要研究前沿。本书配合我国相关规范规程的编制工作,系统介绍了混凝土结构防连续倒塌的理论和工程设计方法,主要包括:国内外建筑结构防连续倒塌设计的发展历程与研究现状,我国典型混凝土结构防连续倒塌性能的评价,混凝土框架结构的连续倒塌规律和抗连续倒塌工作机理,基于能量原理的混凝土框架结构抗连续倒塌承载力需求分析方法,现有抗连续倒塌工程设计方法的分析、检验和改进,以及混凝土框架结构火灾连续倒塌分析与设计方面的研究进展。
  本书可供广大土建专业人员在防连续倒塌分析、设计和研究中参考。

前 言

  燃气爆炸、恐怖袭击、火灾等引起的建筑结构连续倒塌可能导致生命和财产的严重损失。国际上建筑结构连续倒塌问题的研究始于1968年英国Ronan Point 公寓煤气爆炸连续倒塌事故。2001年"911"恐怖袭击导致纽约世贸中心发生连续倒塌后,建筑结构防连续倒塌设计逐渐受到国际土木工程学术界和工程界的广泛关注。近年来,我国建筑结构防连续倒塌设计的需求也日益增长,但相关研究尚不能充分满足工程设计的需要。
  早在上世纪90年代,清华大学就在国家自然科学基金等项目的支持下,开展了结构连续倒塌问题的研究工作。陈肇元、江见鲸、刘西拉、崔京浩等前辈学者都为我国工程结构防连续倒塌研究做出了重要的开创性贡献。此后,清华大学抗震防灾研究组在国家相关科研项目的支持下,配合我国相关规范规程的编制工作,对混凝土结构防连续倒塌的理论、分析和设计方法开展了一系列的科学研究和工程实践,本书就是在这些工作的基础上总结撰写而成的。
  目前国际上现有的抗连续倒塌设计方法可分为两类:①不针对灾害荷载作用的抗连续倒塌设计,②针对具体灾害荷载作用的抗连续倒塌设计。本书第2~5章,主要针对第一类抗连续倒塌设计方法,分析了我国混凝土结构的抗连续倒塌性能,研究了混凝土框架结构抗连续倒塌的工作机理,提出了基于能量原理的混凝土框架抗连续倒塌承载力需求分析方法,检验、分析并改进了已有的工程设计方法。
  本书第6、7章,则针对具体灾害--火灾--作用下混凝土结构的连续倒塌问题,建立了混凝土框架结构的火灾连续倒塌数值分析模型,研究了火灾连续倒塌全过程分析的关键影响因素,提出了混凝土框架结构火灾连续倒塌全过程分析的流程。
  本书由陆新征、李易共同撰写,陆新征、叶列平统一定稿。
  参加有关研究工作的还有清华大学博士生卢啸、缪志伟、汪训流,硕士生林旭川,本科生梁益、马一飞。在整个研究工作中,还得到了清华大学钱稼茹教授、韩林海教授、时旭东教授、任爱珠教授,中国建筑科学研究院徐有邻研究员、邸小坛研究员、澳大利亚Griffith大学关红博士等的帮助和支持,在此也表示衷心的感谢。
  本书的研究工作得到"国家重点基础研究发展计划(973)(2012CB719703)"、国家科技支撑计划(2006BAJ03A02,2009BAJ28B01)"、"国家自然科学基金重大研究计划重点项目(90815025)"和"教育部新世纪优秀人才支持计划资助"(NCET-10-0528)的支持,特此致谢!并感谢清华大学"力学计算与仿真"实验室和"土木工程安全与耐久教育部重点实验室"提供的高性能计算平台和实验研究条件。
  由于作者水平有限,本书中肯定存在许多不足之处,敬请读者批评指正。

作者
2011年8月
北京清华园

目 录

第1章 建筑结构连续倒塌设计与研究的现状
 1.1 建筑结构的连续倒塌问题
 1.2 典型连续倒塌事件及其对设计方法的影响
 1.3 抗连续倒塌设计方法
 1.4 抗连续倒塌的相关研究


第2章 连续倒塌数值分析方法
 2.1 纤维梁模型
 2.2 分层壳模型
 2.3 构件破坏的模拟


第3章 混凝土结构抗连续倒塌性能分析和评价
 3.1 典型RC框架结构分析算例
 3.2 RC框架结构抗连续倒塌机制研究
 3.3 RC框架结构连续倒塌抗力研究
 3.4 RC框架结构抗连续倒塌性能评价(鲁棒性/易损性分析)
 3.5 RC框架-剪力墙结构抗连续倒塌性能分析


第4章 基于能量平衡原理的RC框架连续倒塌抗力需求分析
 4.1 研究现状
 4.2 理论框架
 4.3 梁机制下结构与构件的抗力需求分析
 4.4 悬链线机制下结构与构件的抗力需求分析

第5章 RC框架结构抗连续倒塌的工程设计方法
 5.1 概念设计法
 5.2 拆除构件法
 5.3 拉结强度法
 5.4 抗连续倒塌的配筋构造要求


第6章 RC框架结构火灾连续倒塌数值分析模型
 6.1 热-力耦合材料本构模型
 6.2 梁柱纤维梁模型THUFIBER-T
 6.3 楼板分层壳模型
 6.4 RC框架整体结构火灾连续倒塌数值分析


第7章 火灾下RC框架结构连续倒塌分析与设计建议
 7.1 整体现浇楼板对RC框架抗连续倒塌性能的影响
 7.2 混凝土高温剥落对RC框架抗连续倒塌性能的影响
 7.3 某实际工程火灾作用下的倒塌事故分析
 7.4 火灾下RC框架结构抗连续倒塌设计的分析方法建议

参考文献

书中算例下载

火灾纤维梁算例:图6.14-6.16

火灾分层壳算例:图6.19-6.20

第1章 建筑结构连续倒塌设计与研究的现状

 
1.1 建筑结构的连续倒塌问题
  近几十年,随着工程技术水平的不断提高,建筑结构向大型化、复杂化方向发展。与此同时,结构安全性要求也不断提高。目前,常规结构设计主要考虑荷载作用的超载概率和材料强度的低强概率,采用可靠度理论来进行构件的承载力极限状态设计,以保证结构的安全性。其结构分析是针对完好结构进行的,如抗震分析和抗风分析等。但在工程结构漫长的使用寿命中,可能遭遇各种偶然突发灾害事件,如爆炸、冲击、火灾等,不可避免地会导致结构局部破坏或损伤,如果剩余结构不能有效承担结构初始破坏和损伤造成的不平衡荷载或内力变化,剩余结构就会进一步发生破坏,这种破坏可能引发多米诺骨牌式的连锁反应,导致破坏在结构系统内不断发展,从而造成结构的大范围严重破坏甚至整个结构的倒塌,也就是连续性倒塌。
  Ellingwood(2006)对结构连续倒塌(Progressive collapse)的定义为:由于意外事件(如煤气爆炸、炸弹袭击、车辆撞击、火灾等)导致结构局部破坏或部分子结构损伤,并引发连锁反应导致破坏向结构的其它部分扩散,最终造成结构的大范围坍塌。一般来说,如果结构的最终破坏状态与初始破坏不成比例,即可称之为连续倒塌。(A progressive collapse of a building is initiated by an event that causes local damage that the structural system cannot absorb or contain, and that subsequently propagates throughout the structural system, or a major portion of it, leading to a final damage state that is disproportionate to the local damage that initiated it)其他文献的定义也与之类似,强调倒塌在结构系统内的传播使得因小范围的初始破坏造成结构大范围的倒塌,如ASCE7-05(ASCE, 2005)、《工程结构可靠性设计统一标准GB50153-2008》(中华人民共和国住房和城乡建设部, 2008)、《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》(中华人民共和国住房和城乡建设部, 2010a)。连续倒塌事故往往伴随着严重的生命财产损失和社会影响,比如2001年的纽约世界贸易大厦双塔的连续倒塌事件。因此,如何减少局部破坏对整体结构的影响,防止结构因局部破坏而导致结构整体倒塌或与起因不相称的大范围结构倒塌,成为目前结构工程学科和防灾减灾学科研究的热点之一。
  BS8110(BSI, 2002)将结构的抗连续倒塌能力称之为结构的鲁棒性(Robustness)。鲁棒性是来自于系统工程学科的概念,是指系统抵御外部环境干扰和内部不确定因素影响而能保持其稳定工作的能力(姜长生 等, 1998)。结合结构连续倒塌的定义,可以发现结构连续倒塌问题和传统结构工程设计所关注的构件承载力和变形等问题不同,它关注的是整体结构在个别构件或局部小范围结构破坏失效或损伤这类扰动下结构系统保持其原结构构形的能力。
  在部分构件发生局部破坏并失去其原有作用后(移除),整体结构的受力系统会发生两个显著的变化:首先,初始局部破坏后,原结构的受力模式发生显著变化,比如对于框架结构,如果框架柱失效,则其支撑的框架梁端部可能由负弯矩作用变为正弯矩作用,其支撑的上部框架柱可能由受压变为受拉;其次,在新的受力模式下,结构和构件的抗力需求通常会显著增大,并可能会导致构件的屈服,进而对构件的塑性变形能力提出了更高的要求。因此与常规的结构设计不同,以实现抗连续倒塌为目标的结构设计需要对结构在部分构件失效退出工作后剩余结构和构件的受力模式及抗力需求进行检验与设计。故而结构抗连续倒塌设计需采用专门的设计方法。……

1.2 典型连续倒塌事件及其对设计方法的影响
  结构抗连续倒塌研究与工程实际结合非常紧密,典型连续倒塌案例的研究对建立抗连续倒塌设计方法有重要影响:首先,连续倒塌问题是从重大工程事故中发现的,并且结构连续倒塌中很多特有的问题也是从事故调查分析中发现并引起工程界的重视;其次,结构连续倒塌属于结构整体行为,试验研究花费巨大,而典型倒塌案例为结构连续倒塌研究提供了丰富的第一手资料。……

1.3 抗连续倒塌设计方法
  现有建筑结构的抗连续倒塌设计方法可分为两类:……


1.4 抗连续倒塌的相关研究
  20世纪90年代中后期以来,由于工程结构抗连续倒塌设计需求的显著增加,建筑结构的连续倒塌问题得到了学界的重视。建筑结构的连续倒塌是整体结构系统的力学行为,整体结构的试验技术和数值仿真分析技术在近十年以来得到快速发展,研究手段的进步进一步推动了建筑结构连续倒塌问题研究的深化。目前建筑结构连续倒塌问题的研究正处于高潮期,相关成果不断涌现(Osama, 2006; 江晓峰 等, 2008)。本节简要整理了连续倒塌相关研究的成果,为工程设计和科学研究提供参考,对于本文中涉及的研究内容,将在后续章节中详细探讨。……

第2章 连续倒塌数值分析方法

  连续倒塌是结构整体力学行为,试验研究的难度和花费较大,因此在设计和研究中主要采用数值分析手段。连续倒塌分析的难点在于既要对局部构件失效后行为进行准确的模拟(这涉及大位移、大变形和强非线性),又要能够准确分析整体结构的行为(这对计算模型的效率提出了很高的要求)。本章介绍了清华大学开发的混凝土结构连续倒塌数值分析模型,包括模拟梁柱构件的纤维梁模型和模拟墙板构件的分层壳模型。模型采用了合适的钢筋和混凝土的本构关系,能够对动力荷载作用下的钢筋混凝土构件的力学行为进行准确的模拟。为了模拟连续倒塌过程中的不连续位移场,在模型中引入了构件破坏准则,并利用生死单元技术实现了连续倒塌过程中构件破坏断裂的模拟。……

2.1 纤维梁模型
  基于杆系结构力学和一维材料本构的纤维模型,是分析混凝土框架结构非线性行为较好的数值模拟方法。所谓纤维模型,就是将杆件截面划分成若干纤维(如图2.1所示),每个纤维均为单轴受力,并用材料单轴应力应变关系来描述该纤维材料的受力特性,纤维间的变形协调则采用平截面假定。……

2.2 分层壳模型
  除去杆系构件外,建筑结构中另一种常见构件形式是以剪力墙、楼板为代表的二维板壳构件。其特点是:长度和宽度方向尺寸差别不大,而厚度方向尺寸要远小于长度与宽度方向尺寸。这类构件在结构中,存在复杂的轴向变形-面内弯曲变形-面内剪切变形-面外弯曲变形。因而用一般的杆系模型存在较大的难度,而全部用实体模型计算又存在计算量太大的问题。
  分层壳模型将壳单元划分成很多层(见图2.12),各层可以根据需要设置不同的厚度和材料性质(混凝土、钢筋)。在有限元计算时,首先得到壳单元中心层的应变和曲率,然后根据各层材料之间满足平截面假定,就可以由中心层应变和曲率得到各钢筋和混凝土层的应变,进而由各层的材料本构方程可以得到各层相应的应力,并积分得到整个壳单元的内力。分层壳单元可以直接将混凝土和钢筋的本构行为与墙、板构件的非线性行为联系起来,可以考虑面内弯曲-面内剪切-面外弯曲之间的耦合,因而在描述实际墙、板构件复杂非线性行为方面有着明显的优势(门俊, 2006; 林旭川, 2009)。……

2.3 构件破坏的模拟
  在结构倒塌破坏过程中,构件将破碎断裂,整个结构也将从一个连续体过渡到一个散粒体。这种不连续位移场的描述是倒塌分析与模拟中的关键问题,将严重影响倒塌模拟结果的真实性(张雷明 等, 2003)。陆新征等(2010)采用单元失效准则来模拟地震倒塌过程中的构件破坏行为,获得了较好的结果。本文在纤维梁和分层壳模型中加入类似的构件失效准则来判断构件的破坏,利用MSC.MARC 的"单元生死"技术进行实现数值计算中的构件失效,破坏的构件单元将被删除,构件内力被释放(MSC.Software Corporation, 2007)。……

第3章 混凝土结构抗连续倒塌性能分析和评价

  本章采用非线性动力拆除构件法对1栋典型结构布置的框架结构和4栋框架-剪力墙结构的抗连续倒塌性能进行了分析,结果表明框架结构的抗连续倒塌性能相对较弱,而框架-剪力墙结构的抗连续倒塌性能较强。
对于框架结构,进一步采用非线性静力Pushdown法,对其抗力机制和抗力分布规律进行了分析,为设计方法的研究奠定基础。为了分析抗震设计对框架结构抗连续倒塌能力的贡献,算例保持结构布置不变,分别按三种抗震设防烈度设计并建模分析。为了分析整体现浇楼板对抗连续倒塌能力的影响,分别建立了非整体现浇楼板框架和整体现浇楼板框架两种模型进行对比分析。最后,本文提出了倒塌率指标和抗连续倒塌承载力储备指标,分别从整体结构抗倒塌能力和局部结构薄弱程度两个方面综合评价框架结构的抗连续倒塌性能,并采用该方法对文中框架算例进行了评价。

3.1 典型RC框架结构分析算例
3.1.1 设计信息
  
采用PKPM软件(PKPM工程部, 2006)建立框架结构模型,如图3.1所示,并采用软件的SATWE模块进行设计,得到结构的配筋信息,整个过程符合我国规范(混凝土结构设计规范GB50010-2002和建筑抗震设计规范GB50011-2001)的要求。具体的结构信息如下:……

3.2 RC框架结构抗连续倒塌机制研究
  
本节采用非线性动力拆除构件法分析了典型RC框架在局部发生初始破坏后的响应,研究了RC框架结构抗连续倒塌机制和连续倒塌规律,并对抗震设防烈度和整体现浇楼板的影响进行了讨论。分析的算例模型为6~8度抗震设计的非整体现浇楼板RC框架和整体现浇楼板RC框架,共6个整体结构算例。对每个整体结构算例,计算分析了32个不同部位的初始破坏下结构的动力响应。……

3.3 RC框架结构连续倒塌抗力研究
  
非线性动力拆除构件法能够较好的模拟剩余结构的倒塌过程,但是采用非线性动力分析研究结构的连续倒塌抗力时,需要逐步增加荷载并进行动力全过程分析,所花费的大量计算时间使得该方法在抗力分析时受限。
Pushdown分析通过在结构上施加逐步增大的竖向荷载,直至结构发生倒塌破坏,得到结构变形和抗力之间的关系曲线,以此研究结构的极限抗力(即抗连续倒塌承载力)。国内外采用Pushdown方法对下列问题展开了研究,包括:框架连续倒塌机理(易伟建 等, 2007)、防屈曲支撑的抗连续倒塌贡献(Khandelwal, 2008a; Kim et al, 2009)、结构抗连续倒塌承载力与性能评价(Kim et al, 2009; Lu et al,2008)。但是目前的研究还未从结构系统角度,对钢筋混凝土框架结构整体连续倒塌抗力分布规律开展研究。……

3.4 RC框架结构抗连续倒塌性能评价(鲁棒性/易损性分析)

  
鲁棒性是指系统抵御外部环境干扰和内部不确定因素影响而能保持稳定工作的能力(姜长生 等, 1998)。BS8110(BSI, 2002)将结构的抗连续倒塌性能称之为结构的鲁棒性,即结构在局部发生小范围倒塌或单个构件失效后,整体结构不发生大面积的倒塌的能力。易损性的概念和鲁棒性的概念相反,易损性是指系统容易受到伤害或损伤的程度(邱德锋 等, 2005),两者都可以用来描述结构的抗连续倒塌性能。……

第4章 基于能量平衡原理的RC框架连续倒塌抗力需求分析

  提出设计方法是建筑结构抗连续倒塌研究的主要目标。目前不针对灾害荷载作用的规范设计方法主要基于早期连续倒塌研究的成果,而由于当时的研究手段有限,对整体结构连续倒塌的过程和机理研究不足,影响了相应工程方法的合理性和可靠性,最近一些研究发现现有的抗连续倒塌设计方法还存在许多不足(Dusenberry, 2002; Liu et al, 2005; Powell, 2005; Abruzzo et al, 2006; Nair, 2006; Marjanishvili et al, 2006; Ruth et al, 2006)。设计目标倒塌机制和抗力需求计算方法是设计方法中的核心问题,前者确定结构提供连续倒塌抗力的受力模式,后者确定结构在各种受力模式下所能提供的连续倒塌抗力需求。本文第3章研究了RC框架结构的连续倒塌抗力机制,第4章将对RC框架结构的抗力需求进行研究,第5章将基于第3章和第4章的结论对现有设计方法进行检验和改进。……

4.1 研究现状
  
能量平衡原理从1842年被发现以来已有169年的历史(Caneva, 1993),其基本原理简单明确,在具体应用中可根据实际需要进行变换。目前抗连续倒塌分析与设计方法的研究中,能量平衡原理的应用可以分为以下两类:……

4.2 理论框架
4.2.1 抗力和抗力需求的基本概念
4.2.1.1 结构抗力与构件抗力的概念与关系
  
基于能量平衡原理进行结构连续倒塌抗力需求分析,首先应明确结构抗力和构件抗力的概念。结构在局部竖向支承构件发生初始破坏后,部分荷载由于失去支承成为不平衡荷载,如图4.1所示。不平衡荷载所作用的结构部位需要提供抗力,来抵抗不平衡荷载的作用、避免结构的倒塌,这部分提供倒塌抗力的结构部位可称之为"抗倒塌子结构"。结构抗力是指抗倒塌子结构承担不平衡荷载的能力,如图4.1(a)所示的梁机制下的结构抗力Rb和图4.1(b)所示的悬链线机制下的结构抗力Rc。构件抗力是指组成抗倒塌子结构的构件所能承受荷载的能力,如图4.1(a)所示的梁机制下的构件抗力M(抗弯承载力)和图4.1(b)所示的悬链线机制下的构件抗力F(抗拉承载力)。抗倒塌子结构的构件抗力总和构成了结构抗力。结构(构件)抗力与结构(构件)变形有关,由图4.1可以看到,结构和构件的变形都可以采用初始破坏柱所支承的结点位移⊿来度量(Izzuddin et al, 2008; Vlassis et al, 2008),在本章的理论推导中将采用该结点位移⊿来建立倒塌过程中的能量平衡方程。……

4.3 梁机制下结构与构件的抗力需求分析
4.3.1 梁机制的结构抗力曲线
  
根据第3章的讨论,梁机制下RC框架结构的结构抗力由框架梁端抗弯承载力提供。取图4.1(a)所示抗倒塌子结构中的单层框架梁进行抗力需求分析,如图4.4。当抗倒塌子结构中各层框架梁均满足各自的连续倒塌抗力需求时,抗倒塌子结构的连续倒塌抗力需求也能够满足。……

4.4 悬链线机制下结构与构件的抗力需求分析
  
当悬链线机制发挥作用时,框架梁已经发生了较大的变形并且已经进入非线性抗力阶段,拉结强度法对该极限变形模式进行受力分析,计算获得结构和构件的非线性静力抗力需求。因此悬链线机制下的抗力需求分析将要建立结构和构件的非线性静力抗力需求和非线性动力抗力需求间的关系。……

第5章 RC框架结构抗连续倒塌的工程设计方法

  抗连续倒塌设计法包括概念设计法、拉结强度法、拆除构件法和关键构件法,其中概念设计法是定性设计方法,拉结强度法和拆除构件法是针对整个结构系统的定量设计方法,关键构件法是针对结构局部部位的附加定量设计方法。本章介绍了概念设计法和非线性动力拆除构件法,研究了拉结强度法和线性静力拆除构件法。……

5.1 概念设计法
  
概念设计主要从结构体系的备用路径、整体性、延性、连接构造和关键构件的判别等方面进行结构方案和结构布置设计,避免存在易导致结构连续倒塌的薄弱环节,参考相关文献(ASCE, 2005;ACI, 2008),本书建议主要内容如下:……

5.2 拆除构件法
  
拆除构件法对发生初始局部破坏后的结构进行整体受力分析,获得构件抗力需求后进行设计,该方法能够从体系角度对结构的冗余传力路径进行检验与设计,从而提高结构的抗连续倒塌能力。其中,非线性动力拆除构件法的准确度最高;线性静力拆除构件法最简单,但需要引入经验性的修正系数,以考虑非线性因素和动力效应的影响。对于RC框架结构,线性静力拆除构件分析仅能得到处于小变形阶段的梁机制结构和构件抗力需求,因此线性静力拆除构件法是对结构在梁机制下的抗连续倒塌承载力进行设计。本节首先采用非线性动力拆除构件法对典型RC框架算例进行了抗连续倒塌设计和检验,获得了梁机制下抗连续倒塌设计的最低配筋需求。然后根据第4章获得的梁机制下的结构抗连续倒塌承载力储备需求规律,建议了线性静力拆除构件设计法的流程和参数,并进行了设计验证和对比分析。……

5.3 拉结强度法
  
拉结强度法通过假设破坏模式,将超静定结构在局部简化为静定结构进行分析,对结构构件的拉结强度进行验算和设计。从而保证结构的整体性和备用荷载传递路径及其传递能力,避免结构体系的连续倒塌。与拆除构件法相比,拉结强度法不需要对整体结构进行计算分析,设计流程简单,更加适合工程应用。现有设计规范如BS8110(BSI, 2002)、Eurocode 1(CEN, 2006)和DoD2010(DoD, 2010)均采用该方法作为抗连续倒塌设计的主要方法之一。……

5.4 抗连续倒塌的配筋构造要求
  
参照国外有关抗连续倒塌的配筋构造要求,建议以下配筋构造要求:……

第6章 RC框架结构火灾连续倒塌数值分析模型

  本文的第3至5章对不针对灾害荷载作用的RC框架结构抗连续倒塌设计方法进行了研究,从本章开始将对火灾作用下的RC框架结构的抗连续倒塌设计问题进行研究。结构在火灾作用下的连续倒塌过程中,建筑空间内的火场和结构构件内的温度场都是不均匀分布的,导致结构体系内所有受火构件产生不同程度的材料高温劣化,结构的损伤和破坏机理更趋复杂,通过简化方法对结构(特别是混凝土结构)在火灾下的抗连续倒塌性能进行评价与设计的准确度较低。整体结构连续倒塌全过程分析是火灾下结构抗连续倒塌设计与研究中最有效的方法,其关键是准确、高效的整体结构数值分析模型。本章基于热-力耦合分析的基本原理,建立了钢筋混凝土框架结构的火灾反应数值分析模型,包括适用于梁柱构件的纤维梁模型和适用于楼板构件的分层壳模型。……

6.1 热-力耦合材料本构模型
  高温下的混凝土和钢筋的热-力耦合材料本构关系非常复杂,这是因为:① 高温下材料产生新的应变分量;② 高温导致材料力学性能的退化;③ 温度、时间和应力共同对材料的力学性能产生耦合作用(过镇海 等, 2003a)。……

6.2 梁柱纤维梁模型THUFIBER-T
  在常规纤维梁模型的基础上,根据梁柱截面的温度场分布,对不同位置的纤维赋予相应温度的高温热-力耦合本构关系,则可以实现对火灾下梁柱力学性能的模拟。陆洲导(1995)和过镇海(2003a)基于纤维梁理论,建立了不考虑大变形影响的钢筋混凝土杆系构件的火灾数值分析模型。陈适才(2009)在此基础上进一步建立了全拉格朗日方法描述的火灾纤维梁分析模型,对大变形下的梁柱构件进行了模拟,然而由于非线性求解能力的不足,在连续倒塌研究与设计中应用有限。本文基于纤维梁模型的基本原理,开发了基于MSC.MARC的钢筋混凝土梁柱火灾反应分析模型THUFIBER-T,该模型利用MSC.MARC的非线性计算能力实现连续倒塌过程的大变形和大应变分析能力,并通过引入高温下的构件破坏准则和生死单元技术,模型能够对整体结构连续倒塌过程中的构件破坏与断裂进行模拟。……

6.3 楼板分层壳模型
  现浇楼板是混凝土框架结构中的另一类重要构件,火灾作用下楼板产生的薄膜效应对框架结构的抗倒塌性能可能产生重要影响。已有研究(Mohamad, 1998; Huang, 1999; 陈适才, 2008)建立了考虑火灾作用的分层壳模型,对楼板的高温力学性能进行了研究。本文基于MSC.MARC的分层壳单元建立了火灾下钢筋混凝土连续倒塌数值分析的楼板模型,该模型采用6.1节的热-力耦合材料本构模型来考虑火灾温度对楼板材料力学性能的影响,并通过构件破坏准则和生死单元技术考虑连续倒塌过程中构件的破坏与断裂。……

6.4 RC框架整体结构火灾连续倒塌数值分析
  基于本文建立的火灾倒塌数值分析模型,对第3章中按八度抗震设防烈度设计的八层楼板整体现浇钢筋混凝土框架结构进行了火灾倒塌模拟与分析,对模型的倒塌分析能力进行检验。……

第7章 火灾下RC框架结构连续倒塌分析与设计建议

  整体结构火灾连续倒塌全过程分析法(简称为"全过程分析法")是火灾下RC框架结构抗连续倒塌设计最可靠的方法。全过程分析法通过对火灾发展过程中构件内温度场的分布、构件的损伤、结构的力学响应的全面分析,得到真实的结构和构件的连续倒塌抗力需求并进行设计,分析中考虑了材料在高温下的热膨胀应变、热瞬态应变和热徐变以及构件在倒塌过程中的破坏与断裂的影响。由于全过程分析法需要借助数值分析方法对火灾的连续倒塌过程进行模拟。然而实际火灾作用下RC结构构件和材料的一些特殊力学行为会使得结构构件的力学性能变得更加复杂,如大变形下楼板的薄膜效应和高温下混凝土的剥落等。如果在全过程分析中对这些影响全部加以考虑,将会使设计的复杂程度升高、工程适用性降低。目前的研究表明,这些因素对构件的高温力学性能有显著的影响,但是结构体系的力学行为并不是构件的简单叠加,因此需要研究这些因素对结构体系在高温下的抗连续倒塌性能的影响,为火灾下的RC框架结构的连续倒塌全过程分析与设计提供参考。……

7.1 整体现浇楼板对RC框架抗连续倒塌性能的影响
  楼板是重要的结构构件。根据第3章的讨论,整体现浇楼板对RC框架结构的抗连续倒塌性能影响较大。虽然现有规范(DoD, 2010)建议考虑楼板的贡献,但是在实际设计计算过程中,由于楼板作用机理的复杂性,一般抗连续倒塌设计不考虑楼板的贡献。比如,在DoD2005(DoD, 2005)和DoD2010(DoD, 2010)附录提供的整体框架结构的拆除构件设计算例中,均未对楼板进行建模分析。这种处理方式虽然能够得到偏于安全的设计结果,但是不能充分认识结构的实际抗连续倒塌能力。无论从工程设计还是从科学研究的角度,都有必要研究现浇楼板对整体结构抗连续倒塌性能的影响程度。……

7.2 混凝土高温剥落对RC框架抗连续倒塌性能的影响
  剥落是混凝土材料在火灾高温作用下的一个重要损伤特征。混凝土的高温剥落有两种形式,一种是爆裂剥落,另一种是退化剥落(Purkiss, 2007)。爆裂剥落发生在受火初期,现有两种理论进行描述:①混凝土内的水份受热气化导致孔隙压力超过混凝土抗拉强度而发生的脆性破坏;②构件表面的高温混凝土的热膨胀受到约束而产生的受压破坏(Msaad, 2007;Dwaikat et al, 2009)。退化剥落发生在受火后期,是由于混凝土达到较高温度后的材料强度和粘结强度降低所致(Purkiss, 2007)。剥落会导致构件截面削弱和钢筋保护层丧失,加速钢筋和内部混凝土的升温速度,最终导致构件承载力和抗火时间的降低(Kodur, 2000)。……

7.3 某实际工程火灾作用下的倒塌事故分析
  基于第6章开发的钢筋混凝土结构火灾数值分析模型,本节对一栋真实的钢筋混凝土底框砌体结构的火灾倒塌事故进行了模拟,分析了该结构的倒塌原因,讨论了火灾作用下抗连续倒塌的灾害控制设计。……

7.4 火灾下RC框架结构抗连续倒塌设计的分析方法建议
  火灾下的抗连续倒塌设计面向存在严重火灾作用风险的建筑结构,因此应采用准确度较高的整体结构连续倒塌全过程分析,而现有抗火设计规范中的简化设计方法难以满足火灾下的连续倒塌设计的要求。……

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