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  • 空間框架結構連續倒塌分析與破壞模式控制

    論文價格:150元/篇 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis 編輯:碩博論文網 點擊次數:
    論文字數:42522 論文編號:sb2022041215280246185 日期:2022-04-19 來源:碩博論文網
    本文是一篇工程碩士論文,本文采用大型有限元分析軟件 ABAQUS,建立角柱失效時鋼筋混凝土空間框架的有限元分析模型,并進行相應結構的有限元分析,得出角柱失效空間框架結構的荷載-位移分析曲線,通過對比試驗的荷載位移曲線發現兩個曲線吻合的較好,對應的梁、板位移曲線、混凝土變化曲線、鋼筋變化曲線也吻合的較好,模擬的 P1 區的倒塌過程的變化云圖與試驗也基本一致,說明建立的有限元分析模型和算法可靠有效,可以較好地分析這類結構的抗連續倒塌破壞過程及主要特點,用于這類結構抗連續倒塌的有限元分析。

    第一章 緒論

    1.1 引言
    經濟的快速發展使人們希望能夠住上更加舒適自然的建筑房屋,因此建筑技術順應時代的發展需要,逐漸向復雜化、綜合化發展,而這樣的發展結果對建筑結構設計的安全性能的要求不斷提高。世界上各個國家對建筑架構安全性能的要求各不相同,但相比較而言,應用相對較多的是可靠性理論,多數國家應用該理論對建筑結構的安全使用性和承載能力狀態下破壞的可能性進行評估分析,這樣分析的結果是建立在這些建筑結構在其整個壽命周期內不會遭遇火災、撞擊和爆炸等偶然性荷載。當建筑結構在使用壽命周期內遭遇這些荷載,或者說某個構件遭到破壞,由于這個構件的破壞,原先承受的荷載被重現分布,其他構件達到其自身的極限荷載,使得自身發生破壞,如此下去,引起連鎖反應。繼而引起整層結構或整個結構的大面積損壞,這種由小構件引起的大面積破壞嚴重威脅人們的的生命和財產的安全,這而這種不成比例的破壞就是連續性倒塌。
    Ellingwoo[1]把連續倒塌定義為建筑結構在非預期性荷載作用下,導致建筑結構小范圍內發生破壞,這種破壞導致的不平衡使得相鄰的建筑結構單元內力發生變化或者失效,這種破壞或者失效會把更多的荷載重新分布給其他構件,其他構件繼續破壞,如此這樣發展下去,與初始單個結構單元的破壞嚴重的不成比例。英國在其規范中把其定義為建筑結構的魯棒性。魯棒性的引用是對建筑結構的系統化定義,魯棒性是系統工程學科的一個應用概念,它的主要意思是指整個系統在應對外界環境變化或者內部的一系列不確定因素時能夠不受影響,保持一個穩定的工作狀態。綜合以上可以發現,結構的連續倒塌問題與傳統工程結構中關注某個構件的承載能力不同,連續倒塌問題更加關注建筑結構的整體性,即關注整體的建筑結構,在部分構件發生破壞、小范圍內的結構發生破壞或受到損傷不能夠承受力時,整體的結構能夠保持其原來的結構形態或整體結構正常工作的能力。
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    1.2 失效角柱連續倒塌破壞現狀
    英國 Ronan Point 公寓連續性倒塌事件使得世界各國開始注意結構的連續性倒塌問題。此事件之后,英國率先在結構的連續倒塌方面做出一些概念性的的規范,并且很快應用到建筑建設當中。此后連續倒塌問題開始逐漸淡出各國的視野,直到美國 Oklahoma 爆炸再次引起建筑結構的大面積的連續性倒塌,連續倒塌問題才再次引起人們的注意,使得連續倒塌問題再一次變成熱點問題。這次事件直接促使美國開始在連續倒塌問題上開始制定規范,規范中要求對建筑結構在設計過程中對建筑結構抗倒塌內容進行強化。
    工程碩士論文參考
    工程碩士論文參考
    在美國“911”事件之前,我國的高層建筑有限,高層建筑連續倒塌問題出現的屈指可數,所以在抗連續倒塌的問題上研究頁相對較少。僅有朱幼麟、萬墨林和朱明程等學者進行一些基礎研究,提出一些原則性的建議,住建部的規范中關于抗連續倒塌的條文也很缺乏,僅僅是進行概念性的說明。美國世貿大廈的倒塌震驚世界,引起人們對于連續倒塌問題的關注,間接的推動世界建筑結構的抗連續倒塌問題的解決。因此事件,我國開始制定相關的規范,但是僅僅是在規范中強調要加強建筑結構整體性設計等概念性規定。我國在鋼筋混凝土設計中應用以概率論為基礎的極限狀態設計方法,在進行設計僅僅考慮地震引起的偶然荷載,對其他偶然荷載沒有做注釋,實際條件下,各種偶然荷載造成的建筑結構破壞層出不窮。
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    第二章 空間框架模型試驗及分析

    2.1 引言
    建筑框架結構的破壞分成兩種,一種是小規模的破壞,單個構件對部分區域產生影響,一種是不成比例的破壞,單個構件的破壞對整個框架結構產生破壞,這種破壞與初始破壞不成比例。后者就是工程界研究的熱點問題,也稱之為連續性倒塌。連續性倒塌的案例很多,遠的有 Ronan Point 公寓的連續性倒塌問題,18 層建筑結構的倒塌使得其支撐的構件失去承載力,19 層結構沒有下層的支撐發生倒塌,18 和 19層的倒塌超出 17 層結構構件的承載力,引起更大程度的倒塌,依次下去使整個結構發生連續性倒塌。近的有 2021 年 6 月 24 日發生在美國佛羅里達洲 12 層公寓樓的連續性倒塌事件,這些連續性倒塌都對人們的生產生活產生巨大的威脅 [32]??臻g框架的結構的連續性倒塌不是單個構件的強度和單個結構的安全性問題,而是一個全局性問題。這使得研究連續性倒塌問題難度大,花費多。而數值模擬分析能夠很好的解決這些問題。但是數值分析的過程中需要對大位移和大變形等相關問題進行研究,這就要求有精確的框架結構數據模型,而模型的建立是在試驗的基礎上進行的,而現實生活中空間框架結構的連續性倒塌試驗僅在是在某個特定狀況下,綜合狀況下的數值分析較少[33]。
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    2.2 空間框架模型設計與試驗
    2.2.1 空間框架模型設計
    本試驗的目的是通過應用靜力加載的方法對提前拆除角柱構件框架結構進行加載,記錄整個框架結構的連續倒塌過程,分析倒塌過程中的相關數據,研究其倒塌過程中的力的變化,進而為控制框架結構的連續性倒塌提供可以參考試驗數據。在此目的基礎上,本文參考《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)和《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010),按照規范上的要求,制作單層、雙向兩跨、角柱失效的鋼筋混凝土梁板柱空間框架模型,通過 1:3 的對應比率來確定試驗框架。該試驗是在西安建筑科技大學教育部結構工程與抗震重點試驗室進行的。該試驗框架的長為3.6m,寬為 2.6m,高為 1.75m。柱網的布置方面采用縱向 1.8m,橫向 1.3m 的布置,框架柱的截面正方形,邊長分別為 133mm,縱梁的截面尺寸寬 67mm,其高度為150mm,對應的橫梁截面尺寸長度為寬度為 67mm,長度為 117mm,對應的混凝土板的厚度為 30mm,底層梁與上部梁之間的凈高度為 1200mm,框架柱和梁的制作過程符合相關規定,相關的鋼筋和板的制作也符合相關規定。具體的模型和相關的數據展示如圖 2.1 到 2.3 所示。
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    第三章 空間框架結構模型有限元分析......................25
    3.1 有限元分析簡介..............................................25
    3.1.1 有限元基本原理...................................... 25
    3.1.2 ABAQUS 分析過程............................ 26
    第四章 空間框架結構連續倒塌模擬與破壞模式控制.............................41
    4.1 抗連續倒塌研究思路................................41
    4.2 抗連續倒塌破壞準側........................................41
    4.3 空間框架結構模型的設計....................................42
    第五章 結論與展望..................................55
    5.1 本文結論....................................55
    5.2 研究與展望..............................56

    第四章 空間框架結構連續倒塌模擬與破壞模式控制

    4.1抗連續倒塌破壞準側
    結構的冗余度可以解決框架結構的連續倒塌問題,因為增加結構的冗余度能夠為結構提供充足的荷載傳輸路徑,當某個構件發生破壞時,備用路徑能夠提供力的傳遞路徑,從保證結構不發生連續性倒塌[61]。設置合理的備選路徑,就需要對框架結構進行合理的設計,設計出合理的結構方案,保證結構能夠形成多個方向力的傳輸路徑,避免因個別薄弱部位出現破壞導致整個框架結構的連續性倒塌[62]。而備用路徑的設置通常是通過拆除構件的方法來確定的。通過這種方法,可以確定備用路徑的設計方案和方案的可行性,這種方案一般是根據經驗設計的,當然也要評估備用路徑是否具備承受某個構件破壞后所傳遞的荷載。
    結構之所以會發生連續性倒塌,是因為在倒塌的過程中形成連續性作用。要想阻止連續性倒塌,可以設置整體性的結構構件,并且對關鍵構件進行加強,這種加強型的構件強度高于其他構件,能夠預防一定的倒塌[63]。也可以設置結構縫,結構縫的設置主要是對結構進行劃分,這個劃分能夠把結構的破壞控制在一個區域范圍,使得結構的破壞不至于形成整體性的倒塌。
    本試驗是利用拆除構件的方法進行的,本次模擬是在試驗的基礎上,通過在失效角柱的梁上添加梁,以期通過增加備用路徑來分析那條路徑能夠提高其抗倒塌的能力,從而找到空間框架結構抗連續倒塌控制的有效方法。
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    第五章 結論與展望

    5.1 本文結論
    (1)本文設計制作了相似比為 1/3、單層、雙向兩跨、角柱失效的鋼筋混凝土空間框架試驗模型,利用靜力加載試驗方法,研究了研究角柱失效時空間框架試驗模型的抗連續倒塌能力,得到了失效角柱的荷載-位移曲線,通過該曲線分析了其倒塌規律。接著分析了失效角柱相臨梁、板及其內部鋼筋的應力、應變的發展過程和其分布規律,探討了失效角柱位移與框架梁、板、柱之間的位移關系。研究結果表明,角柱失效空間框架模型在發生連續性倒塌時,經歷了彈性工作階段、塑性階段和失效階段等,從結構表面看,角柱倒塌過程 P1 區裂縫中呈 45 度,這些裂縫交叉發展,這過程中伴隨著結構中力的重分布。整個倒塌過程可知,失效角柱空間框架結構的連續性倒塌和結構自身的受彎承載力較為密切。
    (2)采用大型有限元分析軟件 ABAQUS,建立角柱失效時鋼筋混凝土空間框架的有限元分析模型,并進行相應結構的有限元分析,得出角柱失效空間框架結構的荷載-位移分析曲線,通過對比試驗的荷載位移曲線發現兩個曲線吻合的較好,對應的梁、板位移曲線、混凝土變化曲線、鋼筋變化曲線也吻合的較好,模擬的 P1 區的倒塌過程的變化云圖與試驗也基本一致,說明建立的有限元分析模型和算法可靠有效,可以較好地分析這類結構的抗連續倒塌破壞過程及主要特點,用于這類結構抗連續倒塌的有限元分析。
    (3)以上述模型試驗和有限元分析結果為基礎,結合角柱失效鋼筋混凝土空間框架結構連續倒塌破壞的主要特點,文中建議 4 種能夠提升這類結構抗連續倒塌能力的簡易控制方法,即在失效角柱相鄰梁板處增設十字梁、長雙梁、單斜梁和三斜梁等。利用 ABAQUS 軟件,分析上述 4 種增設簡易控制方法,把 4 種控制方法的荷載位移曲線與模擬的框架模型曲線進行對比,其倒塌形式基本一致,證明了模擬的有效性,從其倒塌先后規律和力的變化可知,添加梁對失效角柱的空間框架結構的連續倒塌起到了抵抗作用,對比分析了模擬的框架梁與添加梁相應的框架位移、混凝土變化、鋼筋變化與失效角柱位移之間的關系,確定了上述 4 種簡易控制方法的效果。
    參考文獻(略)

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