发布时间 : 星期日 文章框架结构的连续性倒塌研究更新完毕开始阅读68211669ddccda38376baf0e
中图分类号：O241 V226 论文编号：1028701 08-0078 学科分类号：080104 硕士学位论文
框架结构的连续性倒塌研究 研究生姓名 李玲
学科、专业 工程力学
研 究 方 向 力学建模与计算机仿真 指 导 教 师 浦奎英 副教授 南京航空航天大学 研究生院 航空宇航学院
二○○八年一月Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School
College of Aerospace Engineering
Progressive Collapse Analysis of Concrete Frame Buildings A Thesis in
Mechanics Engineering by Li Ling
Advised by
Professor Pu Kuiying
Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of
Master of Engineering
Jan, 2008承诺书
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。
本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期：I
摘 要
随着恐怖主义的蔓延和地区冲突的加重，恐怖爆炸活动已成为危害国家 安全和社会稳定的一个重要因素，并且对建筑结构造成严重破坏，因此如何 防止建筑结构发生连续性倒塌，是建筑师面临的重要问题。这一问题受到了 世界各国研究人员的广泛关注，但在我国关于此方面的研究还相对落后。 本文回顾结构连续性倒塌的研究现状，并对国外抵抗建筑物发生连续性 倒塌的有关设计规范做了总结，针对目前的不足，采用了有限元方法结合
ANSYS 软件对框架建筑物进行了抗连续性倒塌分析。
本文主要进行了以下几方面的工作：
一、由于地震作用下结构的破坏模式不同于爆炸作用下的破坏模式，抗
震设计不能完全代替抗倒塌设计。因此基于国外已有的抵抗建筑物发生连续 性倒塌的有关设计规范，总结出了结构抗连续倒塌的设计方法：概念设计法、 拉结强度法、备用荷载路经法、局部抵抗特殊偶然荷载作用法。并对以上几 种分析方法进行比较，指出备用荷载路径法能较真实的模拟结构的倒塌过程， 较好的评价结构抗连续倒塌的能力。
二、基于钢筋混凝土有限元理论，建立了合理的框架结构有限元模型， 应用有限元软件ANSYS对其进行了数值模拟分析，研究了关键部位在受到破 坏时对框架结构影响，取得了有一定参考价值的相关结论。
三、从防止局部破坏、设置合理结构体系和构件设计三方面考虑控制结 构连续倒塌，提出了提高结构抗连续倒塌能力的措施。
最后对本文工作进行总结，归纳出了本文的主要结论，给出了今后值得 进一步研究的问题。
关键词：框架结构，连续性倒塌，备用荷载路径法，有限元方法，ANSYSII Abstract
Blast can cause serious damage to building structures as well as heavy loss of live and property. It is increasingly necessary and in fact required to carry out extensive research in this field. Therefore, it is an important task for the structure engineer that how to prevent progressive collapse when the building is exploded. The topic of blast effects on buildings is of widely interest to researchers and engineers all over the world. But the research in our country is still lag behind. In this paper，we reviewed the state of progressive collapse，and summaried the relevant design specifications in already some abroad resistance buildings collapse. Finite Element Method combined with the software ANSYS was applied in the analysis for frame structures. The achievements are as follows：
1.In this paper, referencing the international research findings on resisting
progressive collapse and combining the specific demand of alternative defensive ability, three methods is advised to analyze the alternative defensive ability, such as the alternate load path method, the specific local resistance method and the indirect design method. Every method has its applying condition and analytic process. At last, we point out that the alternate load path method can better simulate the process of collapse, and is suitable for structural failure analysis under any environment.
2. ANSYS/STRUCTURE finite element code was applied for static analysis of a frame building which was modeled with BEAM189 and SHELL63 element. We analyzed the frame structure to check structural members in the alternate path structure, i.e. the structure after removal of a single column.
3. At last, some measures to enhance the alternative defensive ability are proposed in this paper.
Finally, the content of this thesis is summarized and some problems, which need further study, are proposed.
Key Words：frame, progressive collapse, the alternative load path method, finite
element method，ANSYSIII
目 录
第一章 绪论 ...........................................................................................................1 1.1 研究背景.......................................................................................................1 1.2 研究目的与意义...........................................................................................2 1.3 国内外研究现状...........................................................................................4 1.3.1 第一次高潮 ...........................................................................................4 1.3.2 第二次高潮 ...........................................................................................5 1.3.3 第三次高潮 ...........................................................................................6 1.4 研究内容.......................................................................................................7 第二章 结构抗连续倒塌能力分析方法...............................................................9 2.1 国外有关抵抗连续性倒塌设计方法...........................................................9 2.1.1 英国规范规程 .......................................................................................9 2.1.2 欧洲 Eurocode 1................................................................................10 2.1.3 美国公共事务管理局 GSA .................................................................11 2.1.4 美国国防部 DoD2005 ........................................................................12 2.1.5 ASCE 设计方法 ....................................................................................14 2.2 各国结构抗连续倒塌分析方法总结与对比.............................................14 2.2.1 概念设计法 .........................................................................................15 2.2.2 拉结强度法 .........................................................................................15 2.2.3 备用荷载路经法 .................................................................................16 2.2.4 局部抵抗特殊偶然荷载作用法 .........................................................17 2.2.5 小结 .....................................................................................................18 2.3 本文的分析方法.........................................................................................18 2.3.1 可能失效部位的考虑 .........................................................................19 2.3.2 荷载取值 .............................................................................................19 2.3.3 破坏准则 .............................................................................................19 2.3.4 结构允许的倒塌范围 .........................................................................20 2.3.5 本文分析流程 .....................................................................................20IV 2.4 建筑结构抗力计算.....................................................................................21 2.4.1 矩形截面钢筋混凝土构件的弯曲强度 ..............................................21 2.4.2 斜截面受剪承载力计算公式 ..............................................................22 第三章 钢筋混凝土框架结构有限元模型.........................................................23 3.1 有限元法的基本原理.................................................................................23 3.2 钢筋混凝土结构有限元模型.....................................................................24 3.2.1 钢筋混凝土框架结构体系的特点 .....................................................24 3.2.2 问题假设 .............................................................................................25 3.2.3 钢筋混凝土结构有限元模型 .............................................................25 3.2.4 单元介绍 .............................................................................................26 3.3 框架结构连续性倒塌分析在 ANSYS 中的实现.......................................29 第四章 框架结构连续性倒塌分析.....................................................................32 4.1 工程概况.....................................................................................................32 4.2 框架结构有限元模型的建立.....................................................................34 4.3 框架结构连续性倒塌分析.........................................................................34
4.3.1 框架结构外围长边靠中央的一根柱失效 .........................................34 4.3.2 框架结构外围转角处的一根柱失效 .................................................41 4.3.3 框架结构外围短边靠中央的一根柱失效 .........................................44 4.3.4 建筑物内部的一根柱失效 .................................................................50 4.4 小结.............................................................................................................56 第五章 提高结构抗连续性倒塌能力的措施.....................................................58 5.1 防止结构发生局部破坏.............................................................................58 5.2 合理的结构体系.........................................................................................59 5.3 构件设计.....................................................................................................60 第六章 结论与展望.............................................................................................61 参考文献 ...............................................................................................................63 致 谢 .................................................................................................................66 在学期间的研究成果...........................................................................................67VI 图 清 单
图 1.1 美国俄克拉荷马州联邦大楼爆炸惨状 ..............................................1 图 2.1 框架结构拉结示意图 ........................................................................16 图 2.2 悬臂结构 ............................................................................................17 图 2.3 双筋矩形截面应力图.........................................................................21 图 3.1 框架结构的布置 ................................................................................24 图 3.2 Beam189 3-D 有限应变梁..................................................................27 图 3.3 Shell 63 弹性壳...................................................................................28 图 4.1 结构平面图 ........................................................................................32 图 4.2 框架结构首层梁极限抗弯能力包络图 ............................................33 图 4.3 梁截面设计剪力包络图 ....................................................................33 图 4.4 框架结构有限元模型 ........................................................................34 图 4.5 柱 C13 失效后○A 轴弯矩分布图 ......................................................35 图 4.6 柱 C13 失效后○4 轴弯矩分布图........................................................35 图 4.7 柱 C13 失效后梁 B3、B4 弯矩分布图 ............................................35 图 4.8 柱 C13 失效后梁 B28 弯矩分布.......................................................35 图 4.9 柱 C13 失效后○A 轴剪力分布图........................................................36 图 4.10 柱 C13 失效后○4 轴剪力分布图.......................................................36 图 4.11 柱 C13 失效后结构竖向位移图.......................................................37 图 4.12 重启动后○A 轴弯矩分布图 ...............................................................36 图 4.13 重启动后○4 轴弯矩分布图 ...............................................................38 图 4.14 重启动后○A 轴剪力分布图 ...............................................................36 图 4.15 重启动后○4 轴剪力分布图 ...............................................................38 图 4.16 重启动后结构竖向位移图 ...............................................................39 图 4.17 继续重启动后○A 轴弯矩分布图 .......................................................38 图 4.18 继续重启动后○4 轴弯矩分布图 .......................................................40 图 4.19 继续重启动后○A 轴剪力分布图 .......................................................38 图 4.20 继续重启动后○4 轴剪力分布图 .......................................................40 图 4.21 继续重启动后结构竖向位移图 .......................................................41VII 图 4.22 柱 C1 失效后○A 轴弯矩分布图.........................................................40 图 4.23 柱 C1 失效后○1 轴弯矩分布图........................................................42