钢框架结构连续倒塌概率分析方法研究

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1、天津大学研究生毕业论文钢框架结构连续倒塌概率分析方法研究ProbabilisticProgressiveCollapseAnalyti-calMethodofSteelFrameStructures【申请博士学位】一级学科：土木工程学科专业：结构工程作者姓名：宋骁然指导教师：丁阳教授天津大学建筑工程学院二零一七年三月万方数据万方数据DissertationofTianjinUniversityProbabilisticProgressiveCollapseAnalyti-calMethodofSteelFrameStructures【ForDo

2、ctor‘sDegree】Subject:CivilEngineeringSpecialty:StructuralEngineeringCandidate:SONGXiao-ranSupervisor:Prof.Dr.DINGYangSchoolofCivilEngineeringTianjinUniversityMarch2017万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或

3、证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据万方数据摘要钢框架结构具有强度高、延性好、施工速度

4、快的优势，是一种常见的结构体系。结构倒塌是小概率事件，但其造成的损失和不良影响巨大，因此需要系统开展钢结构连续倒塌可靠度分析与风险评估的研究。本文以钢框架结构为研究对象，首先建立了考虑节点悬链线效应和楼板薄膜效应的钢框架连续倒塌分析有限元简化模型；在有限元简化模型基础上，提出了钢结构节点统计模型，并对钢框架结构倒塌概率进行了分析；针对结构倒塌分析过于依赖数值模拟、计算量大的问题，提出一种解析形式的钢框架结构抗倒塌能力模型；针对直接MonteCarlo模拟计算结构倒塌概率效率低的问题，引入子集模拟法的思想，建立了结构倒塌概率快速评估方法。本文研究

5、目的是从可靠度角度对结构抗倒塌性能进行快速评估，主要内容包括以下四个方面：（1）建立了考虑节点悬链线效应和楼板薄膜效应的钢框架结构倒塌有限元简化模型。对已有试验进行数值模拟，验证了所提出简化模型的精度；分析了节点悬链线效应和楼板薄膜效应对钢框架结构抗倒塌能力的影响。结果表明：1）所提出节点有限元简化模型能较为准确地模拟结构倒塌过程中由于悬链线效应引起的节点轴力-弯矩耦合效应、节点转动中心的改变以及节点在悬链线效应下的失效破坏等复杂受力；所建立楼板有限元简化模型能较好地模拟楼板大变形的薄膜效应。2）不考虑节点悬链线效应将高估结构抗倒塌能力，不考虑

6、楼板薄膜效应将低估结构抗倒塌能力。3）移除刚性框架柱后结构竖向变形和损伤较小；移除仅承受重力的钢柱后，钢框架结构发生连续倒塌风险较大，梁-柱铰接仅承受重力荷载的框架是整体结构的薄弱部位。（2）提出了一种考虑节点随机性的钢框架结构倒塌概率分析方法。考虑材料和几何不确定性，基于节点有限元简化模型，建立了节点统计模型；将该节点统计模型引入钢框架结构倒塌概率分析，建立了结构倒塌易损性曲线。将所提出方法应用于梁-柱铰接仅承受重力荷载的钢框架结构倒塌概率分析，从易损性角度分析了节点及楼板对钢框架结构倒塌概率的影响，并与基于不同设计规范的确定性分析结果进行了

7、对比。结果表明：1）所提出的方法能够有效地考虑随机性因素对节点模型的影响，从可靠度角度评估结构的抗倒塌能力。2）对于本文分析的鳍板螺栓连接节点、腹板螺栓连接节点和端板连接节点，节点极限变形能力和极限抗拉承载力的变异系数分别在0.08~0.37和0.08~0.16之间。3）钢框架结构抗倒塌能力对楼板混凝土强度、节点极限变形能力和极限抗拉承载力以及压型钢板屈服强度的不确定性较为敏感。4）针对本文分析算例，按照UFC规范对结构进行倒塌评估偏于保守，采用非超越概率表示的可靠度水平在0.91~0.98之间；万方数据按照GSA规范对结构倒塌进行倒塌评估偏于

8、不安全，其可靠度水平在0.25~0.38之间。（3）提出了一种解析形式的梁柱铰接钢框架结构抗倒塌能力模型。该模型在已有解析模型基础上，通过增加模型修正