工业设备——极端环境下钢筋混凝土结构力学行为研究.pdfVIP

极端环境下钢筋混凝土结构力学行为研究 龙旭, 郭红村, 胡鑫鑫, 李浩, 姚尧 西北工业大学力学与土木建筑学院 摘要: 近年来随着实际应用中各种极端荷载事件频发，钢筋混凝凝土结构变形规律和破坏 模式对整体结构安全性的影响机制成为结构工程领域的研究热点。而鉴于大型钢筋混凝土 结构构件研究的成本较高、试验周期较长，采用数值方法对极端环境下钢筋混凝土结构力 学行为进行预测是更加便捷高效的，因此如何对其重要构件进行合理建模和分析就显得尤 为重要了。本文采用Abaqus 针对连续倒塌及其导致的后续火灾状况下钢筋混凝土节点以及 钢管混凝土柱的力学行为进行了数值研究，并利用文献中实验数据对有限元模型中的重要 参数进行校准。通过与相关实验的对比可以看出，经过校对后的有限元模型可以较为准确 地预测钢筋混凝土结构的变形行为和破坏模式。 关键词: 连续倒塌，火灾，钢筋混凝土，节点，梁柱节点，钢管混凝土柱，参数校准 1. 简介 近年来，由于爆炸、撞击和火灾等偶然载荷造成的局部破坏，导致诸多高层建筑结构 恶性倒塌事件（例如“911 ”事件世贸大厦倒塌），连续倒塌（progressive collapse ）成为 国内外科研人员和工程师所面临并亟待解决的重要难题。事实上，纵观以往国内外重大事 故，抗偶然载荷的性能不足所导致的连续倒塌是造成恶性建筑结构倒塌的重要原因。在一 系列重大连续倒塌事件的调查进展和社会舆论的影响下，建筑结构抗连续性倒塌分析和设 计逐渐受到国际土木工程学术界和工程界的广泛关注，英国、美国以及欧盟各国都纷纷针 对连续性倒塌潜在危险修订或制订了建筑结构设计规范以及分析计算的指导准则 ，其中最 被广泛应用和用于研究的是由美国国防部编制的DoD 2009 ，但并未对梁柱节点力学性能评 估给出具体设计方法和分析要求或指导。我国建筑结构抗连续性倒塌分析和设计的需求也 日益增长，抗连续性倒塌分析和设计也成为目前结构工程学科和防灾减灾学科研究的热点 之一。但我国现行的结构设计规范仅仅是从概念上建议开展结构抗连续倒塌计算分析，但 并未给出详细的设计方法和操作准则，缺乏适当的工程设计手段，相关研究尚不能充分满 足工程设计的需要，与国外的抗连续倒塌方面的建筑规范有着较大差距。 钢筋混凝土结构被广泛使用，具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成 本低等优点。而钢筋混凝土结构抗连续倒塌实验研究耗费大量人力物力，实验周期较长， 且实验过程中受限于很多实验室安全要求，因此，所得到的实验结果有一定的局限性，有 必要利用数值分析方法开展钢筋混凝土结构抗连续倒塌研究。作为最权威的抗连续倒塌规 范，DoD 2009 同样推荐利用数值方法分析结构的抗连续倒塌性能。因此本文第二节利用 Abaqus/Standard针对连续倒塌状况下钢筋混凝土梁柱节点进行了数值分析，根据试验数据 合理校准模型中重要参数对保障结构抗连续倒塌性能具有深刻意义。 2016 SIMULIA 中国区用户大会 1 图 1. 纽约世界贸易中心恐怖袭击 在连续倒塌发生过程中会极有可能伴随产生火灾灾害。自美国“911 ”事件后，工程 结构在高温下的安全性能引起了国内外研究人员的广泛关注。因此，面对火灾，人类必须 掌握其灾变机理，深入研究建筑结构的抗火设计原理，进行科学的抗火设计，从而使建筑 结构具备要求的“抗火”性能。以往，人们已经在建筑结构抗火设计原理上取得不少成 果，积累了不少工程实际经验，但是对于刚-混凝土组合结构抗火设计原理方面仍有不少的 问题需要继续深入研究，有关设计规程也需要制定，补充和完善。钢管混凝土柱作为组合 结构中的一种重要结构形式，因其自身结构的特殊性而表现出优异的结构性能。一方面， 外钢管包裹所产生的套箍作用，很大程度提高了内部混凝土的极限抗压承载力；另一方 面，内部混凝土的注入，不仅增大了截面惯性矩，同时也使得火灾条件下，混凝土能够有 效的吸收外钢管的热量，从而减慢其升温速度，增长了耐火时间。目前，国内外学者对轴 心受压钢管混凝土柱的耐火性能研究已经较为成熟，而对于偏心受压钢管混凝土柱，以及 双层钢管混凝土柱的耐火性能研究尚存不足，因此，本文第三节利用Abaqus/Standard 就偏 心受压钢管混凝土柱及双层钢管混凝土柱的耐火性能进行了数值分析。 2. Abaqus/Standard 在连续倒塌状况下钢筋混凝土梁柱节点上的应用 在连续性倒塌的作用下，钢筋混