鋼筋混凝土結構極端地震倒塌分析本構關系試驗研究

針對全球范圍極端地震頻發(fā)所帶來的建筑物倒塌所引起的人員傷亡和城市生命線破壞及相應的次生災害等問題，本項目采用數值模擬技術研究工程結構的倒塌過程并探明工程結構的倒塌機制和機理。材料復雜非線性動力特性，尤其是材料軟化、加載速率、接觸界面特性是研究極端地震條件下工程結構數值模擬的基礎。本項目開展了混凝土、鋼筋及鋼筋-混凝土界面靜動態(tài)全曲線試驗技術、動態(tài)本構關系、動態(tài)力學特性率效應和主要影響因素的試驗研究。試驗結果表明混凝土材料具有率效應敏感性，動態(tài)強度提高因子(DIF)受應變率、初始靜載、養(yǎng)護條件、含水率、水灰比等因素的影響，建立了基于上述影響因素的DIF 模型。由于高應變率下鋼筋與混凝土粘結性能試驗難以實施，基于SHPB試驗系統(tǒng)，本項目開發(fā)了一套鋼筋與混凝土動態(tài)粘結性能試驗加載裝置，進行了對試件的沖擊加載，成功采集了加載過程中荷載和位移數據，實現高應變率下的鋼筋與混凝土粘結性能試驗。在高粘結應力率段內，隨著加載速率的增大，相同滑移量下粘結應力有不斷升高的趨勢，而極限粘結強度對應的滑移量逐漸減小。基于高應變率下鋼筋混凝土粘結滑移試驗數據建立了考慮加載速率影響的粘結滑移本構關系?；谏鲜鲈囼灲Y果建立了考慮應變率（10-6s-1-10-2s-1）、加載制度（沖擊型和三角波）和初始靜載（0、40%、80%、100%）的混凝土、鋼筋、鋼筋-混凝土界面本構模型?；贏NSYS/LS-DYNA顯式動力有限元軟件，對鋼筋混凝土平面、空間框架進行爆炸荷載作用下的數值模擬，通過結構的動態(tài)響應研究了失效構件位置、配筋方式、鋼筋連接方式、配筋率、炸藥距離等參數對結構整體連續(xù)倒塌行為的影響?；凇敖蹈怕省粑ｋU——抗倒塌”的理念，從建筑安全管理、建筑規(guī)劃、建筑等級劃分、概念措施、計算方法、構件防護等方面逐一入手介紹，建議了鋼筋混凝土框架結構的防連續(xù)倒塌實用設計方法。本項目原創(chuàng)性試驗結果為揭示極端地震作用下鋼筋混凝土結構的損傷破壞演化過程、損傷機理和破壞倒塌機制以及抗極端地震設計提供理論基礎和科學依據。 2100433B

全球范圍極端地震頻發(fā)所帶來的建筑物倒塌引起的人員傷亡和城市生命線破壞及相應的次生災害，已經越來越受到人們的關注和重視。采用數值模擬技術研究工程結構的倒塌過程并探明工程結構的倒塌機制和機理，是保障建筑物在極端地震作用下安全的重要手段之一。在極端地震條件下，重大工程結構精細數值模擬離不開材料復雜非線性的動力特性，尤其是考慮材料軟化（全曲線）、加載速率、接觸界面特性。本項目擬開展混凝土、鋼筋、鋼筋-混凝土界面動態(tài)本構關系（全曲線）試驗技術研究，進行相關材料動態(tài)試驗研究，建立以試驗為基礎的考慮應變率（10-6 s-1～10-2 s-1）、加載制度（沖擊型和三角波）和初始靜載（0%、40%、80%、100%）影響的動態(tài)本構模型（全曲線）。本項目原創(chuàng)性基礎試驗成果將為揭示極端地震作用下鋼筋混凝土結構的損傷破壞演化過程、損傷機理和破壞倒塌機制以及抗極端地震設計提供理論基礎和科學依據。

關于極端氣候的研究，近十多年來雖然已取得了新的進展，但無論在觀測和理論及其模擬方面的研究都還缺乏系統(tǒng)性和深入性。尤其是(1)關于極端氣候的區(qū)域型態(tài)及長期變率；(2)極端氣候與全球平均氣候變化的關系；(3)未來極端氣候情景預測等三個方面的研究還有待深人。根據以往觀測記錄所顯示的極端氣候指標不但具有長期變率，而且其年際、年代際變化也十分明顯；不少學者已經注意到，未來氣候增暖背景下，氣候極值頻率有可能增大。20世紀中后期，人們將主要研究目標集中于全球或區(qū)域平均氣候的變化趨勢檢測，而很少專門關注于全球或區(qū)域的極端氣候及其長期變化規(guī)律，因此，就世界范圍而言，一方面，尚缺乏關于氣候極值的高質量的長期觀測資料(包括全球及區(qū)域性的)致使人們對各地或不同區(qū)域的ECAE及其長期變率特征還知之甚少；另一方面，從理論上對于極端氣候成因機制及其模擬試驗和預測模型的研究都還處于起步階段。雖然20世紀90年代以來，不少學者已注意到平均氣候變化與極端氣候的關系，但其研究還缺乏系統(tǒng)性和深度。

2000年許多學者發(fā)出了“關于加強極端天氣氣候事件長期觀測變率及其未來變率預測的研究”的聯合呼吁。正在執(zhí)行中的CLIVAR的主要任務之一就是確定氣候變率的區(qū)域型態(tài)，而在一定的統(tǒng)計分布型條件下，極端氣候異常事件的許多統(tǒng)計特征量(如頻率，強度等)與平均氣候及其變率的非線性關系已經有了相當多的理論基礎(如極值分布理論，統(tǒng)計分布函數的熵理論，平穩(wěn)過程的交叉理論等)，各種氣候數值模式模擬的最新結果也表明，模擬的平均氣候場及變率有相當的可靠性，在給定的初邊值條件下作第二類氣候預報(氣候強迫敏感性試驗)與觀測結果已相當一致。因而，借助于優(yōu)良的氣候數值模式輸出結果，預測各種條件期望氣候情景下，出現降水、氣溫ECAE災害的風險(概率)及其區(qū)域型態(tài)已具備必要的理論基礎。 2100433B

本課題圍繞高墩橋梁在地震作用下的倒塌問題開展了相關研究工作。 結合申請人在橋梁抗地震倒塌能力關鍵問題方面的前期研究工作和該學科的最新成果，針對地震作用下橋梁墩柱在變形過程中剛度、強度隨著損傷積累而退化的問題，探索高墩橋梁在地震作用下抗倒塌能力，重點研究了高墩橋梁中橋墩縱向鋼筋屈曲導致結構在地震作用下倒塌破壞的地震災變機理，并對橋梁劣化對地震作用下高墩橋梁的抗倒塌能力的影響進行了初步研究。取列得了一系的研究成果。主要工作包括： 1）對墩柱中縱向鋼筋的屈曲進行了深入分析。提出了能考慮縱向鋼筋屈曲的鋼筋應力應變模型，通過考慮縱向鋼筋屈曲壓應變的方式計入縱向鋼筋屈曲的影響?；谠撲摻钅Ｐ徒⒘四M高墩墩柱縱向鋼筋受壓屈曲破壞的高墩橋梁有限元分析精細模型； 2）對高墩橋梁在地震作用下的響應進行了深入分析，提出了高墩剛構橋倒塌破壞的判斷準則，通過墩頂節(jié)點的豎向位移來反映結構承受豎向荷載的能力，以此判定高墩橋梁在地震作用下是否發(fā)生倒塌破壞. 3）對地震作用下高墩橋梁發(fā)生倒塌破壞的機理進行了深入分析，揭示了結構發(fā)生倒塌破壞的機理。梁橋結構的墩柱先后進入彈塑性狀態(tài)，混凝土保護層發(fā)生剝落，隨后縱向鋼筋屈曲而逐漸喪失承受豎向荷載的能力，繼而發(fā)生倒塌破壞。 4）研究了高墩橋梁在地震倒塌極限狀態(tài)點的塑形變形特征，破壞模式以及P-Δ 效應對極限承載能力的影響力。 5）研究了劣化對高墩橋梁結構抗倒塌能力的影響。混凝土剝落、鋼筋截面減少、和鋼筋強度降低等劣化在一定程度上影響了結構在地震作用下的抗倒塌能力，其中鋼筋截面減少對極限承載能力影響最大。 2100433B