大跨桁梁結(jié)構(gòu)體系的連續(xù)性倒塌機理與抗倒塌設(shè)計研究.pdf

1、紐約世貿(mào)大樓在“9.11”事件中的倒塌事故不僅驚起了全世界的廣泛關(guān)注，也警示著工程界學者和技術(shù)人員更深層次地思考結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件下的安全問題。突發(fā)事件是非預期性的偶然事件，通常造成結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的直接破壞，并且可能誘發(fā)向整體結(jié)構(gòu)擴大破壞范圍的后果。這種連續(xù)性的倒塌破壞模式暴露了結(jié)構(gòu)對于抵抗初始局部破壞和連續(xù)性破壞的薄弱性，其潛在的危險和隱患是巨大的?？紤]到大型公共建筑的安全問題正日趨突出，本文即從具有平面受力特征的大跨桁梁結(jié)構(gòu)體系出發(fā)，探討

2、這類結(jié)構(gòu)的連續(xù)性破壞機理、抗倒塌能力和有效的設(shè)計方法。 本文選取了大跨鋼屋架體系和張弦結(jié)構(gòu)兩類典型的桁梁體系進行研究，其中張弦結(jié)構(gòu)是指張弦梁或張弦桁架等現(xiàn)代預應力鋼結(jié)構(gòu)。抗倒塌研究時，一方面參照典型的實際工程，采用數(shù)值模擬技術(shù)考察結(jié)構(gòu)的連續(xù)性破壞機理問題；另一方面，根據(jù)簡化的數(shù)學模型分析，提出大跨鋼屋架體系的結(jié)構(gòu)安全性能評價方法和張弦結(jié)構(gòu)的抗倒塌設(shè)計方法。此外，還針對桁梁結(jié)構(gòu)體系的平面受力特點，研究了檁條等平面外輔助構(gòu)件的抗倒塌

3、作用和相應的設(shè)計方法。 本文的分析研究首先是以結(jié)構(gòu)倒塌過程的數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的，即據(jù)此建立結(jié)構(gòu)連續(xù)性破壞或倒塌的機理性認識。倒塌過程數(shù)值模擬技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)的大位移大轉(zhuǎn)動、非連續(xù)變形和接觸碰撞等諸多的復雜力學行為，數(shù)值處理難度大，本文探討了相關(guān)的技術(shù)難點，并選用著名的顯式動力非線性程序LS-DYNA作為本文的數(shù)值模擬平臺?？紤]到該程序的局限，本文自編制了前處理子程序，改進了原梁單元的計算精度，同時就初始局部破壞假定、荷載取值及其組合和

4、倒塌破壞判定依據(jù)等相關(guān)問題作了探討。 大跨鋼屋架體系的連續(xù)性倒塌分析主要考察屋架上、下弦桿和腹桿的初始破壞情況，研究指出：跨中弦桿和跨端斜腹桿的初始破壞對結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布影響是敏感的，而跨端弦桿對提高連續(xù)性破壞抵抗能力則是關(guān)鍵的；結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布過程的動力效應表現(xiàn)為以初始平衡位置為起點、以新的穩(wěn)定平衡(如果存在)為中心的振動形式。為便于評價鋼屋架體系的抗倒塌性能，本文提出了基于線性靜力分析的結(jié)構(gòu)安全性能評價方法。該方法結(jié)合現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)

5、設(shè)計規(guī)范，以識別敏感構(gòu)件和關(guān)鍵構(gòu)件為其核心內(nèi)容，建立了危險性評估、初始分析、敏感性分析和安全評價的四階段評價流程，并通過工程算例探討了其適用性。該方法不僅具有概念清晰、操作簡單等特點，也可為結(jié)構(gòu)設(shè)計或加固方案提供可靠的依據(jù)。 張弦結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌分析主要考察不同位置鋼索的初始破斷以及撐桿與鋼索連接節(jié)點的失效情況，研究表明：鋼索是張弦結(jié)構(gòu)構(gòu)成其剛度和承載力的重要環(huán)節(jié)，鋼索的初始破斷極易造成結(jié)構(gòu)的整體性垮塌；而在多處撐桿退出工作的情

6、況下，結(jié)構(gòu)也能再次形成有效的張弦體系，并且其振動沖擊影響是有限的；鋼索超張拉預應力或者結(jié)構(gòu)傾斜放置對張弦結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌性能影響是可以忽略的。考慮到鋼索破斷的致命性(也即敏感性)，本文提出了基于托架或者鋼梁(或鋼桁架)的抗倒塌設(shè)計方法。托架抗倒塌設(shè)計要求相鄰的多榀張弦結(jié)構(gòu)發(fā)揮協(xié)調(diào)作用，由托架為初始破壞結(jié)構(gòu)提供可靠的側(cè)向約束支承，以保證鋼梁或鋼桁架能夠再次形成有效的拱受力機制。鋼梁(或鋼桁架)抗倒塌設(shè)計則是通過提高其截面剛度特別是跨中區(qū)域

7、的抗彎承載力，來保證結(jié)構(gòu)不致因過大的彎曲變形或跨中塑性鉸而發(fā)生整體塌落。 本文還分析了桁梁結(jié)構(gòu)體系平面外輔助構(gòu)件(如檁條、屋面支撐等)對結(jié)構(gòu)的抗倒塌影響，但沒有考慮連接構(gòu)造的實際受力性能。研究表明：當檁條端部構(gòu)造接近于鉸接特性時，由于桁梁結(jié)構(gòu)體系的平面外薄弱性，由檁條和屋面支撐建立的傳力路徑難以發(fā)揮有效的懸掛機制，即不能起到可靠的抗連續(xù)倒塌作用；而當檁條端部為剛接或設(shè)有屋架下弦隅撐時，檁條可因彎曲變形而耗能，并借由相鄰的平面體系