鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)極端地震倒塌分析本構(gòu)關(guān)系試驗研究結(jié)題摘要

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(yīng)的次生災(zāi)害等問題，本項目采用數(shù)值模擬技術(shù)研究工程結(jié)構(gòu)的倒塌過程并探明工程結(jié)構(gòu)的倒塌機制和機理。材料復(fù)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(jié)構(gòu)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。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(shù)、動態(tài)本構(gòu)關(guān)系、動態(tài)力學(xué)特性率效應(yīng)和主要影響因素的試驗研究。試驗結(jié)果表明混凝土材料具有率效應(yīng)敏感性，動態(tài)強度提高因子(DIF)受應(yīng)變率、初始靜載、養(yǎng)護(hù)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(yīng)變率下鋼筋與混凝土粘結(jié)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(jié)性能試驗加載裝置，進(jìn)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)高應(yīng)變率下的鋼筋與混凝土粘結(jié)性能試驗。在高粘結(jié)應(yīng)力率段內(nèi)，隨著加載速率的增大，相同滑移量下粘結(jié)應(yīng)力有不斷升高的趨勢，而極限粘結(jié)強度對應(yīng)的滑移量逐漸減小?；诟邞?yīng)變率下鋼筋混凝土粘結(jié)滑移試驗數(shù)據(jù)建立了考慮加載速率影響的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。基于上述試驗結(jié)果建立了考慮應(yīng)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(gòu)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(jìn)行爆炸荷載作用下的數(shù)值模擬，通過結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)研究了失效構(gòu)件位置、配筋方式、鋼筋連接方式、配筋率、炸藥距離等參數(shù)對結(jié)構(gòu)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(gòu)件防護(hù)等方面逐一入手介紹，建議了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌實用設(shè)計方法。本項目原創(chuàng)性試驗結(jié)果為揭示極端地震作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(shè)計提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。 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(yīng)的次生災(zāi)害，已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注和重視。采用數(shù)值模擬技術(shù)研究工程結(jié)構(gòu)的倒塌過程并探明工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)精細(xì)數(shù)值模擬離不開材料復(fù)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(gòu)關(guān)系（全曲線）試驗技術(shù)研究，進(jìn)行相關(guān)材料動態(tài)試驗研究，建立以試驗為基礎(chǔ)的考慮應(yīng)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(gòu)模型（全曲線）。本項目原創(chuàng)性基礎(chǔ)試驗成果將為揭示極端地震作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(shè)計提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

關(guān)于極端氣候的研究，近十多年來雖然已取得了新的進(jìn)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(guān)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(guān)系；(3)未來極端氣候情景預(yù)測等三個方面的研究還有待深人。根據(jù)以往觀測記錄所顯示的極端氣候指標(biāo)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(xué)者已經(jīng)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(jì)中后期，人們將主要研究目標(biāo)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(guān)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(guān)于氣候極值的高質(zhì)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(yù)測模型的研究都還處于起步階段。雖然20世紀(jì)90年代以來，不少學(xué)者已注意到平均氣候變化與極端氣候的關(guān)系，但其研究還缺乏系統(tǒng)性和深度。

2000年許多學(xué)者發(fā)出了“關(guān)于加強極端天氣氣候事件長期觀測變率及其未來變率預(yù)測的研究”的聯(lián)合呼吁。正在執(zhí)行中的CLIVAR的主要任務(wù)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(guān)系已經(jīng)有了相當(dāng)多的理論基礎(chǔ)(如極值分布理論，統(tǒng)計分布函數(shù)的熵理論，平穩(wěn)過程的交叉理論等)，各種氣候數(shù)值模式模擬的最新結(jié)果也表明，模擬的平均氣候場及變率有相當(dāng)?shù)目煽啃?，在給定的初邊值條件下作第二類氣候預(yù)報(氣候強迫敏感性試驗)與觀測結(jié)果已相當(dāng)一致。因而，借助于優(yōu)良的氣候數(shù)值模式輸出結(jié)果，預(yù)測各種條件期望氣候情景下，出現(xiàn)降水、氣溫ECAE災(zāi)害的風(fēng)險(概率)及其區(qū)域型態(tài)已具備必要的理論基礎(chǔ)。 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(guān)研究工作。 結(jié)合申請人在橋梁抗地震倒塌能力關(guān)鍵問題方面的前期研究工作和該學(xué)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震作用下倒塌破壞的地震災(zāi)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(jìn)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(jìn)行了深入分析。提出了能考慮縱向鋼筋屈曲的鋼筋應(yīng)力應(yīng)變模型，通過考慮縱向鋼筋屈曲壓應(yīng)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(xì)模型； 2）對高墩橋梁在地震作用下的響應(yīng)進(jìn)行了深入分析，提出了高墩剛構(gòu)橋倒塌破壞的判斷準(zhǔn)則，通過墩頂節(jié)點的豎向位移來反映結(jié)構(gòu)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(jìn)行了深入分析，揭示了結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌破壞的機理。梁橋結(jié)構(gòu)的墩柱先后進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，混凝土保護(hù)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(yīng)對極限承載能力的影響力。 5）研究了劣化對高墩橋梁結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的影響?；炷羷兟?、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(jié)構(gòu)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