RC框架結構水平向連續(xù)倒塌試驗和設計理論研究結題摘要

建筑結構的連續(xù)倒塌造成嚴重的生命和財產(chǎn)損失。連續(xù)倒塌可以沿結構系統(tǒng)的豎向或水平向傳播或是同時在兩個方向傳播，水平向連續(xù)倒塌通常由豎向連續(xù)倒塌誘發(fā)且與之共同作用。目前科學研究和工程設計集中解決最基本的豎向連續(xù)倒塌問題，尚未對水平連續(xù)倒塌問題展開研究。但是水平向連續(xù)倒塌會引起破壞在更大范圍內(nèi)傳播，進而造成更加嚴重的損失。本項目針對RC 框架結構水平向連續(xù)倒塌問題，通過試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬的方法，對其倒塌機理、結構倒塌抗力需求以及設計方法進行了系統(tǒng)的研究。主要研究工作如下： (1)設計開展了6個不同邊界和受力條件的RC 框架子結構試件的水平向連續(xù)倒塌試驗。通過分析試件在加載過程中的倒塌抗力、材料應變和構件損傷的發(fā)展，研究了RC 框架結構水平向連續(xù)倒塌的破壞機理。研究表明RC框架水平連續(xù)倒塌的破壞模式是梁兩端和柱底端發(fā)生嚴重的塑性破壞，框架形成機構而發(fā)生局部倒塌破壞，進而觸發(fā)水平向相鄰結構部分的后繼破壞和倒塌傳播?？蚣苤目箓葎偠群统休d力是影響RC框架水平連續(xù)倒塌的關鍵因素。當多跨框架共同抵抗水平向倒塌時，桁架拱效應可能導致框架柱的受力發(fā)展不均更易發(fā)生破壞，結構連續(xù)倒塌易損性變大。 (2)建立了基于能量的RC框架連續(xù)倒塌抗力需求分析的理論框架，能夠考慮非線性動力效應對連續(xù)倒塌過程中結構內(nèi)力的影響?；谠摲椒?，分別建立了RC框架在小變形梁機制和大變形懸鏈線機制下的抗力需求計算公式。采用大量數(shù)值算例對其準確性進行了驗證。 (3) 建立了RC結構連續(xù)倒塌分析的數(shù)值模型，并基于這些模型開展了典型RC結構系統(tǒng)的連續(xù)倒塌機理分析?；谖⒂^受力分析和變形協(xié)調(diào)條件，建立了考慮梁板組合作用的RC框架連續(xù)倒塌抗力的工程計算方法。提出了一種基于倒塌率的建筑結構連續(xù)倒塌易損性評價方法，分析了抗震設計和抗連續(xù)倒塌設計對RC框架結構倒塌易損性的影響。這些成果可為RC框架結構的抗連續(xù)倒塌工程設計提供重要的參考。 2100433B

現(xiàn)有RC框架結構的連續(xù)倒塌研究和設計方法主要針對豎向連續(xù)倒塌模式，但因豎向構件水平向抗側能力不足而引起的水平向連續(xù)倒塌模式會引起破壞在更大范圍內(nèi)傳播，然而目前國內(nèi)外還未針對RC框架結構水平向連續(xù)倒塌問題展開研究。本項目針對RC框架結構水平向連續(xù)倒塌問題，通過試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬的方法，對其倒塌機制、豎向構件的側向抗力和變形能力需求、以及水平向抗連續(xù)倒塌措施進行全面系統(tǒng)的研究，研究內(nèi)容包括：1）通過RC框架子結構的水平向連續(xù)倒塌試驗，研究RC框架結構水平向連續(xù)倒塌的破壞機理及其合理的抗水平連續(xù)倒塌機制；2）研究關鍵參數(shù)對RC框架結構抗水平向連續(xù)倒塌機制的影響；3）基于能量方法建立水平連續(xù)倒塌抗力和變形需求的理論模型；4）基于試驗和理論研究，提出抗水平向連續(xù)倒塌的設計方法及其相關構造措施。通過本項目研究，揭示RC框架結構水平向連續(xù)倒塌的機理，進一步完善RC框架抗連續(xù)倒塌設計理論和方法。

早期設計師在進行產(chǎn)品的造型設計時，主要采用正向設計的方法；這是一個從概念設計起步到CAD建模、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過程。

產(chǎn)品造型設計的正向設計一般流程： 概念設計 →CAD/CAM系統(tǒng) →制造系統(tǒng)→ 新產(chǎn)品。

但對于復雜的產(chǎn)品，正向設計的方法顯示出了它的不足，設計過程難度系數(shù)大、周期較長、成本高、產(chǎn)品研制開發(fā)難。由于設計師無法完全預估產(chǎn)品在設計過程中會出現(xiàn)什么樣的狀況，如果每次因為一些局部的問題而推倒整個產(chǎn)品重來，不管從時間上還是從成本上都是不可接受的。如果有方法能改正在正向設計過程中所產(chǎn)生的局部問題自然是好的，正是在這樣的背景下，自然發(fā)展并形成了逆向設計的方法。

逆向設計通常是根據(jù)正向設計概念所產(chǎn)生的產(chǎn)品原始模型或者已有產(chǎn)品來進行改良，通過對產(chǎn)生問題的模型進行直接的修改、試驗和分析得到相對理想的結果，然后再根據(jù)修正后的模型或樣件通過掃描和造型等一系列方法得到最終的三維模型。

采用逆向設計的方法所得到的產(chǎn)品模型，因為是有實際的模型參與各種試驗因此得到的結果相對于概念化推算和電腦虛擬模擬更接近真實，從而能迅速找到產(chǎn)品的優(yōu)異形態(tài)并縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

在新產(chǎn)品開發(fā)中，通常采用正向設計和逆向設計結合使用。

現(xiàn)有土力學的許多理論大都是以連續(xù)介質(zhì)為對象的研究成果，應用到像土這樣的非連續(xù)、結構性強的介質(zhì)中，沒有達到真正解決實際工程問題的目的。如大部分土體本構模型的模型參數(shù)取值不確定性太大，造成應力應變計算結果波動過大，在工程應用中存在明顯缺陷。項目研究擬基于土非連續(xù)介質(zhì)和結構性強的特點，采用現(xiàn)代測試新技術（如超聲波法、CT法和電阻率法等），通過土體微觀結構分析試驗與宏觀力學特性試驗相結合,探索土體結構描述新方法。建立土的應力狀態(tài)方程，提出新的土體破壞準則，創(chuàng)立新的極限平衡方程，建立土的物理力學本構模型。通過室內(nèi)大型模型試驗和離心機模型試驗驗證提出的新理論，并通過數(shù)值分析和工程應用研究，進一步完善理論成果。項目研究對闡明結構性土的應力狀態(tài)、強度和變形規(guī)律具有重要理論意義和工程應用價值。