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纽约世贸大楼的倒塌事故引起了全世界的广泛关注,也警示着工程界学者和技术人员更深层次地思考结构在偶然荷载下的安全问题。偶然荷载通常造成结构局部构件的直接破坏,并且可能诱发向整体结构扩大破坏范围的后果,这种连续性倒塌破坏模式潜在的危险和隐患是非常巨大的。考虑到高层公共建筑的安全问题正同趋突出,本文即以高层钢框架结构体系为研究对象,从简单的概念力学提出了改善其抗连续倒塌性能的柱间支撑布置形式,对比分析了不同支撑布置对框架结构抗连续倒塌性能的影响。
本文的分析研究首先是以结构倒塌过程的数值模拟为基础的,即据此建立结构连续性破坏或倒塌的机理性认识。倒塌过程数值模拟技术涉及结构的大位移大转动、非连续变形和接触碰撞等诸多的复杂力学行为,数值处理难度较大,本文考虑到相关的技术难点,选用著名的显式动力非线性程序LS—DYNA作为本文的数值模拟平台。文章还就倒塌分析三维计算模型的建立、初始局部破坏假定、荷载取值及其组合、结构阻尼的确定等相关问题作了探讨。
研究表明:局部破坏位置上部的水平分布柱间支撑能显著减小结构在局部破坏后的竖向位移,从而降低上层主、次梁和楼板由于挠度过大发生破坏并导致结构连续性倒塌的风险。另外,水平分布柱间支撑能较大程度地减小临近破坏位置柱子的轴力峰值,使各柱的轴力分配更趋于均匀化。但在某些工况下临近局部破坏位置的底层柱轴力峰值仍可能达到局部破坏前轴力的近两倍左右。研究还表明,水平支撑对所在跨内柱子发生破坏时的结构响应影响较大,但对其他跨内柱子破坏时的结构响应影响较小。对于未设水平柱间支撑的中间跨应合理利用竖向分布的抗侧支撑来提高中柱破坏后的结构安全度。
本文的研究工作仅是高层钢框架结构连续性倒塌控制与抗连续倒塌设计研究的一个方面,其中建立的分析方法和设计原则具有一定的现实依据,但作为工程应用仍需展开更为深入的研究。