摘要
近几十年来，世界范围恐怖或意外爆炸事件频繁发生，造成大量人员伤亡和财产损失；同时，爆炸冲击波还会使周边建筑发生破坏甚至连续倒塌，造成更严重灾害。因此，开展建筑防连续倒塌设计，提高建筑抗爆防护能力，对保障城市安全极其重要。随着建筑工业化发展，装配式混凝土结构发展迅速，其抗震性能研究较多，但抗爆性能研究甚少，防连续倒塌设计尚无据可依。 本文通过静力与动力试验、数值模拟与参数研究以及解析与近似分析等方法，研究揭示了预压装配式混凝土框架结构的抗连续倒塌机理，为开展装配式混凝土结构防连续倒塌设计提供了理论依据。主要研究工作和创新成果如下： （1）开展了预压装配式结构抗倒塌静力试验，揭示了预压装配式结构的抗倒塌机理。试验模型为1/2缩尺两层两跨平面框架子结构，包括2榀预压装配式结构和1榀现浇结构，考虑底层中柱失效，在失效柱柱顶按位移控制施加竖向静力荷载进行倒塌试验。研究表明，两种结构的梁均依次经历了压拱阶段和悬链线阶段。与现浇结构相比，预压装配式结构梁的破坏主要集中在梁端截面，且压拱效应有所减弱，而悬链线效应有所增强。两种结构边柱均经历了初始外推、外推与内拉阶段。由于边柱存在侧向变形，第二层梁的梁端约束刚度有所减弱，压拱效应相应减弱，但由于两层梁梁端均有可靠拉结约束，悬链线效应均充分发挥。 （2）开展了预压装配式结构抗倒塌静力数值分析，建立了预压装配式结构抗倒塌分析子结构方法和抗倒塌能力快速预测方法。利用LS-DYNA软件，建立了前述静力试验子结构的精细化有限元模型，开展了结构倒塌内力分析和梁竖向抗力影响参数分析。研究表明，在有限元模型的梁顶耗能钢筋削弱段与箍筋之间设置离散弹簧单元，可准确模拟梁端局部破坏模式。减小梁跨高比，增大梁顶部耗能钢筋配筋率，或增大梁端抗剪钢筋锚固长度，可有效提高梁在压拱阶段的竖向抗力。对于多层多跨框架结构，第一层梁对结构倒塌抗力贡献最大，且随着楼层位置的提高，梁的倒塌抗力有所减弱。所建立的结构抗倒塌分析子结构方法和结构抗倒塌能力快速预测方法，计算效率高。 （3）开展了预压装配式结构静力抗倒塌解析分析，提出了计算预压装配式结构竖向抗力的解析计算方法。以单层失效跨（与失效柱相邻的单层两跨梁柱子结构）为研究对象，在边节点处设置平动和转动约束弹簧，并分别考虑梁顶耗能钢筋削弱段、非削弱段以及与其相连的边柱预埋钢筋的受力特点，基于受力平衡条件和变形相容条件，建立了梁竖向抗力静力解析模型，进一步分析了梁端截面的受力特性，并开展了梁竖向抗力影响参数分析。研究表明，所建立的解析模型可准确计算梁竖向抗力。增加梁顶耗能钢筋削弱段长度，可提高结构在悬链线阶段的延性；提高钢绞线初始张拉应力或增加梁端约束刚度，可提高梁在压拱阶段的竖向抗力，且平动约束刚度对梁竖向抗力的影响比转动约束刚度更为明显。 （4）开展了预压装配式结构抗倒塌动力试验，揭示了预压装配式结构倒塌动力响应机制。以单层失效跨梁为研究对象，试验模型为1/2缩尺单层两跨梁子结构，包括2榀预压装配式结构和2榀现浇结构，试件材料等级、尺寸与配筋均同静力试验试件。在子结构中节点处施加冲击荷载，以考虑框架结构在遭受爆炸荷载时失效柱对失效跨产生的轴拉效应。研究表明，两种结构在冲击加载下的破坏模式与相应静力加载时的破坏模式相似。在冲击力作用瞬间，梁出现瞬时反拱效应，且随着冲击速度的增加而显著；随着惯性效应减弱，梁反拱效应消除并出现压拱效应。预压装配式结构动力响应的残余位移较小，具有较强自复位能力。钢绞线的拉结力加速了梁端受压区混凝土的破坏，削弱了梁的压拱效应。 （5）开展了预压装配式结构抗倒塌动力数值分析，建立了基于移行铰理论的结构倒塌动力响应解析方法。利用LS-DYNA软件，建立了前述动力试验子结构的精细化有限元模型，进行了结构倒塌动力响应内力分析与影响参数分析，并基于移行铰理论，建立了双跨梁子结构在动力加载下的受力模型和塑性铰位置的解析计算方法。研究表明，随着冲击速度增加，中节点梁端的破坏模式由弯曲型转变为剪切型；当冲击速度不变且梁端发生弯曲破坏时，提高梁的竖向抗力可以降低中节点竖向位移峰值。随冲击力峰值增加，塑性铰位置逐渐向中节点梁端移动，增加顶部耗能钢筋与钢绞线的配筋率，可使塑性铰远离中节点梁端，从而改变梁的弯矩分布模式，提高结构在动力加载下的抗倒塌性能。 （6）开展了爆炸荷载作用下预压装配式结构连续倒塌动力分析，建立了考虑爆炸荷载作用的结构抗倒塌近似动力分析方法。基于前述结构静力和动力数值模型，开展了爆炸荷载作用下多层多跨框架结构的动力响应分析；根据功能原理，建立了考虑爆炸荷载作用的结构抗倒塌近似动力分析方法。研究表明，在爆炸荷载作用下，当失效跨梁中节点竖向位移达到峰值时，结构应变能等于失效跨梁竖向荷载与失效柱轴力做功之和；所提出的近似动力分析方法可快速预测失效跨中节点竖向位移峰值，且预测结果与数值模拟结果基本一致。
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