基于重要桿件失效網架結構連續倒塌動力試驗研究

丁北斗，呂恒林，李賢，周列武

(1.中國礦業大學江蘇省土木工程環境災變與結構可靠性高校重點實驗室，江蘇徐州221116; 2.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州221116)

基于重要桿件失效網架結構連續倒塌動力試驗研究

丁北斗1，2，呂恒林1，2，李賢1，2，周列武1

(1.中國礦業大學江蘇省土木工程環境災變與結構可靠性高校重點實驗室，江蘇徐州221116; 2.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州221116)

在網架結構模型中，基于桿件軸力與應變能變化響應的桿件重要性評估方法確定初始破壞桿件并引入失效裝置，進行了基于桿件失效的結構連續性倒塌試驗。在試驗過程中，利用動態應變儀、拉線式位移和加速度傳感器，獲取網架結構模型因初始破壞引發的動態過程總的應變、位移和加速度時程曲線，揭示網架結構連續性倒塌的破壞過程及破壞機制。仿真分析和試驗結果表明，支座之間及其相鄰腹桿是網架結構關鍵桿件，其初始破壞失效后，會造成網架結構的連續性倒塌，在實際設計過程中要加強其構件承載力。

連續性倒塌:網架結構;重要桿件;初始破壞;失效裝置;模型試驗

空間網格結構因初始局部破壞而發生連續倒塌的事故時有發生，如美國康涅狄格州哈特福特市中心正方四角錐網架體育館因桿件局部失穩導致倒塌破壞，引起美國土木工程界的震驚［1－2］。連續倒塌事件表明:源于結構局部關鍵桿件初始破壞會使大跨網格結構發生連鎖反應式破壞，造成結構部分乃至整體完全失去承載能力。正確理解網格結構連續倒塌過程及破壞機制，從而為抗連續倒塌設計理念及方法提供依據，具有重大意義。

目前，國內外對于空間網格結構連續性倒塌的研究尚處于初步階段，改變路徑法是基于桿件初始破壞研究空間網格結構連續倒塌常用分析方法。如Murtha－Smith［3］利用改變路徑法分析了一組桿件分別失效后引起的網架結構內力重分布規律，建議可通過加強柱網間或鄰近柱子腹桿承載力方式可提高整個網架結構抗倒塌能力。王鐵成等［4］也基于改變路徑法對遭受局部破壞后的建筑物進行動力響應分析。由于網格結構連續性倒塌實驗難度大，失效桿件模擬、荷載的施加尚無統一的試驗方法，因此關于網格結構連續性倒塌試驗研究比較少。對于建筑結構發生連續倒塌的動力試驗難點在于失效桿件的選取和模擬以及結構失效后的動態響應的數據獲取。如陳以一等［5－6］進行了引入初始破壞的桁梁結構倒塌試驗研究，對空間結構連續性倒塌試驗的一些測試方法和數據分析進行了有益嘗試，考慮到初始破壞位置及數量的隨機性，倒塌試驗不可能都一一實現，建議結合數值分析，獲取關鍵構件，再進行有針對性的試驗驗證。熊進剛等［7］進行了一個網架結構模型擬靜力試驗，在不同加載條件下，搜尋應變最大桿件關并逐一使之失效，從而揭示了結構內力重分布過程，但該實驗對于倒塌過程中的動態響應特性沒有采用動態測試儀器采集。

基于桿件重要性方法確定失效構件并引入失效裝置，進行大尺寸網架結構連續性倒塌試驗，測試網架模型在加載過程中不同失效模式下的桿件應力和關鍵測點位移、加速度時程數據，揭示網架結構連續性倒塌的動態破壞過程及破壞機制。同時基于ANSYS/LS－DYNA對網架結構模型進行連續性倒塌仿真分析，事先預測網架結構重要桿件失效后的動態響應，以便指導和驗證模型試驗。

1 網架結構桿件重要性評估

基于桿件失效的網架結構連續性倒塌試驗的關鍵在于找到導致結構發生連續性倒塌的重要構件。對于結構構件重要性研究成果相對較多，如，劉西拉等［8－11］通過分析結構構件之間的拓撲關系及在意外事件發生時結構體系應變能的分布與流向提出了基于剛度、能量、魯棒性的結構構件重要性評估方法。李航［12］通過分析各種風險因素發生的概率及發生后對建筑結構體系產生的影響提出了構件關鍵指數函數。蔡建國等［13］提出了以概念判斷為前提，以構件響應變化率為參數的空間結構桿件重要性評估方法。

本文依據網架結構的受力特點，采用網架結構在正常使用狀態下桿件響應以及結構體系應變能變化為參數，通過改變路徑法，對初選范圍內桿件進行重要性評價。定義SIi為桿件i的桿件重要性評價系數，Sij為桿件j對桿件i失效的敏感性指標。則桿件i的重要性系數SIi按式(1)計算:

式中:ΔEi為桿件i失效前后結構體系的應變能變化量;E0為結構體系的初始應變能;α為環境影響因子，β為歸一化系數;n為桿件的數量。

桿件j對桿件i失效的敏感性指標Sij按式(2)計算:

式中:γij為桿件i失效后桿件j的響應指標;γj0為桿件i失效前桿件j的響應指標。

上述基于概念判斷的網架結構桿件重要性評估方法不僅考慮了桿件的受力特性而且兼顧結構體系能量轉變過程，同時，對局部桿件失效后剩余桿件敏感性分析可以準確體現網架結構內力重分布過程及方向。

2 空間網架結構試驗模型

2.1 模型設計

試驗模型采取正放四角錐網架模型(見圖1)，該模型縱橫向上弦5×4跨，下弦4×3跨，上下弦網格尺寸均為500 mm×500 mm，網架厚度350 mm，四個角部上弦鉸支于支座上。上下弦節點總數為61個，上下弦桿件總數為80根，斜腹桿總數為80根。所有桿件均用20號無縫鋼管，其屈服強度為245 N/mm2，極限抗拉強度約為410～550 N/mm2，伸長率為21%，彈性模量約為E=2.1e5N/mm2，泊松比取為0.03。網架結構模型桿件截面為φ10×2和φ18×2.5。節點連接方式桿件在節點板處焊接。

圖1 網架試驗模型(單位:mm)Fig.1 Testmodel of grid structure

2.2 桿件重要性分析

柱網間或鄰近柱子腹桿是整個網架結構的關鍵承載構件，故重要桿件初選范圍集中為支座鄰近、軸線及對角線跨中桿件，如圖1網架平面圖粗線所示。根據式(1)計算初選桿件重要性系數結果見圖2和表1，其計算結果趨勢與蔡建國的方法基本一致，可見本文方法在引入結構體系應變能參數后，桿件重要性系數敏感性增強。

圖2 桿件重要性系數Fig.2 Key member importance factor

表1 桿件重要性系數計算結果Tab.1 The evaluation results of key member im portance factor

2.3 失效引入裝置

在網架結構連續倒塌動力試驗過程中，如何模擬重要桿件的瞬時失效是實施關鍵。根據圖2桿件重要性計算內容，選取1/4網架結構模型比較桿件的重要性發現，SX－2上弦桿(A失效)、XX－1下弦桿(B失效)、FG－4腹桿(C失效)的重要系數較大，故在這三根桿件上引入失效引發裝置。失效裝置見圖3，通過該裝置的開合能有效模擬桿件正常工作和瞬時失效。

圖3 初始失效裝置Fig.3 Initial failure apparatus

圖4為初始失效裝置原理圖，當初始缺陷引入裝置工作時，由夾持裝置將兩齒狀鋼頭合上，桿件連接成一個整體。在網架結構中，桿件軸力F1是桿件控制內力，齒狀鋼頭接觸面之間反力為F3，夾持裝置可以提供法向壓力F2，三力平衡時，桿件可以正常傳導內力。當松開夾持裝置時，法向壓力F2消失，初始缺陷傳力平衡系統失效，齒狀鋼頭相互錯開，以達到桿件瞬時失效效果。

圖4 初始失效裝置原理圖Fig.4 Schematics of initial failure apparatus

3 基于ANSYS/LS-DYNA連續性倒塌仿真分析

ANSYS/LS－DYNA是被工程界廣泛認可的通用有限元顯式動力分析程序，適用于靜態、動態、線性、非線性、接觸等結構真實行為的仿真分析［14］。采用ANSYS進行結構的前處理建模，LS－DYNA模塊進行求解實現對網架結構動力倒塌模擬分析，為指導和驗證網架結構連續性倒塌試驗做準備。

3.1 鋼材本構模型及單元類型

網架結構發生連續性倒塌，桿件材料通常處于彈塑性狀態。由于是動力穩定問題，對于彈塑性材料來說，材料塑性發展與應變變化快慢，即材料應變率有直接關系，存在應變率效應問題。在進行桿件材料屬性仿真分析時，可通過在結構塑性動力學領域內的Cowper－Symonds方程確定應變率和材料流動應力之間的關系模型，來考慮材料應變率影響，見式(3):

式中:σ0為常應變率的屈服應力;ε·'為有效應變率;C和P為應變率參數;fh(pef)為基于有效塑性應變的硬化參數。ANSYS/LS－DYNA提供了用于該模型的材料模塊:分段線性塑性模型(piecewise Linear Plastic)，該模型通過輸入相關材料屬性，可考慮應變率對結構材料影響，為雙線性強化模型。

ANSYS/LS－DYNA中Beam161單元來模擬網架結構桿件，Beam161梁單元用3個節點定義，可很好地用于大變形以及材料失效等高度非線性問題且動力效應可采用中心差分法進行求解。采用MASS166來模擬網架結構節點，具有9個自由度，即UX、UY、UZ、VX、VY、VZ、AX、AY、AZ，空間網架結構節點豎向荷載值根據受荷面積大小最終轉化到節點上。在動力分析中，塑性阻尼矩陣按Rayleigh阻尼矩陣考慮，阻尼比均取為0.05。

3.2 桿件失效與體系失效判斷準則

基于ANSYS/LS－DYNA有限元分析平臺，進行網架結構連續倒塌分析時，選用BEAM161單元能自動考慮桿件屈曲變形，而桿件斷裂則根據所設定材料模型屬性來實現。采用雙線性強化模型可以通過設定材料極限應變來判斷桿件失效，即當桿件某一積分點應變達到極限應變時，軟件自動認為此處失效，在計算過程中，極限應變不區分拉壓特性，模擬時失效應變取值為0.15。

3.3 動力分析方法

目前較常用重要構件拆除模擬方法有瞬時加載法和瞬時卸載法。瞬時加載法就是在構件失效部位突然加上2倍分析荷載，以模擬重要構件在失效過程中動力效應。瞬時卸載法就是先拆除重要構件，然后在重要構件兩端加上反向外力以模擬構件對結構整體承載的作用，最后進行連續倒塌分析時瞬時減小反向外力以模擬桿件的失效。本文采用瞬時卸載法，基于ANSYS/LS－DYNA進行倒塌分析，通過重啟動技術來瞬時刪除重要構件，從而實現計算結果之間的傳遞。

3.4 倒塌過程分析

基于ANSYS/LS－DYNA進行網架試驗模型連續性倒塌仿真分析結果表明:當結構承受節點荷載總和為3 t時，FG4瞬時失效引起空間網架結構模型發生連續倒塌(見圖5)。定義某一時刻數值模型1號支座處腹桿FG4瞬時失效為初始時刻，在0.075 s后，其所在1號支座處與之相鄰腹桿發生屈曲，(見圖5(b));初始時刻0.125 s后，失效沿著短軸方向由1號支座傳播至4號支座，4號支座腹桿發生屈曲，(見圖5(d));初始時刻0.425 s后蔓延至3號支座發生腹桿屈曲(見圖5 (e))，直至數值模型發生體系失效(見圖5(f))。從失效在剩余結構體系中傳播過程及初始失效與體系失效的不成比例性可以判定仿真模型發生了連續倒塌。

圖5 試驗模型連續性倒塌仿真Fig.5 Progressive collapse simulation analysis of testmodel

4 連續性倒塌試驗

4.1 試驗加載方案的確定

本次試驗主要目的是研究網架結構在豎向荷載作用下因重要構件失效而發生連續倒塌的動態響應過程，探索網架結構發生連續倒塌失效模式和破壞特點。采用吊掛加載方式來模擬網架結構所承受均布荷載，在網架結構模型正下方制作加載托盤，通過鋼繩將托盤與網架上弦節點連接，在托盤上均勻地堆積鐵塊、沙袋，從而模擬網架結構所承受荷載(見圖6)。

在試驗正式開始前，將網架結構模型安裝就位，閉合所有初始失效引入裝置，網架結構模型處于完整狀態，采用分級加載方式，節點荷載分別控制為0.5 kN/ 1 kN。根據上述仿真分析結果，預計極限荷載為3 t。在加載過程中分級加載，每級加載約500 kg，各級加載之間時間間隔取為20 min，當所加荷載達到1.5 t和3 t時，打開失效裝置進行重要構件失效的網架結構連續性倒塌試驗，加載制度見表2。

圖6 試驗模型及加載平臺裝置Fig.6 Testmodel and loading platform device

表2 試驗分級加載制度Tab.2 System of test loading grade

4.2 試驗測點布置

考慮到網架結構發生連續倒塌是一動態過程，測試時需要捕捉重要桿件失效瞬間，剩余桿件應變、關鍵測點豎向位移、加速度時程曲線。本次試驗設置應變測點46個，加速度測點4個，位移測點5個，測點分布及編號見圖7，圖8為現場傳感器安裝圖。

圖7 測點布置及編號圖Fig.7 Measuring points arrangement and member numbers

圖8 傳感器安裝Fig.8 Sensor installation

4.3 試驗過程及現象

試驗根據加載等級劃分為兩個階段，第一階段加載荷重約為1.5 t，第二階段加載荷重達到3.0 t。每一階段采用三級加載，第一級直接放下堆載托盤，第二級在托盤上均勻排放11塊加載砝碼，第三級在堆載托盤上增加12塊加載砝碼。當堆載值達到試驗要求后，用自鎖鉗夾住失效引入裝置A，松開失效裝置上的喉箍，迅速開啟自鎖鉗以模擬A失效裝置對應桿件失效。數據采集完畢后，用喉箍將A失效裝置固定住，以此類推，分別測定B、C失效裝置對應桿件失效時網架結構桿件應變、測點加速度和位移時程曲線?？紤]到試驗過程內容較多，根據試驗過程中呈現特點，分兩個階段做簡明闡述:

第一階段中，當啟動A、B失效裝置后，均表現為在失效裝置附近桿件應變和各測點位移、加速度變化顯著，其他區域變化不顯著。當啟動C失效裝置即FG4失效瞬間，結構桿件及各測點位移、加速度變化均顯著，在FG4失效瞬間，各測點豎向位移呈先減小后增大現象，其中n1、n2和n3測點發生反向位移，說明在FG4失效瞬間，試驗模型存在瞬時反拱現象。

對比A、B、C三種失效時測點豎向加速度，C失效模式結構的瞬時失穩現象更為明顯，各測點加速度、位移和桿件應變變化值均遠大于A、B失效時的加速度，說明FG4失效時，試驗模型的動力效應最為顯著與前文網格結構重要性評價方法計算結果一致。在FG4失效過程中，遠端上弦桿SX5、SX6軸向壓應力增大明顯，1號支座附近網格帶剛度削弱，剩余結構體系重心向1號支座偏移;同時與失效桿件直接相鄰腹桿FG3、FG5軸向內力顯著增大，說明腹桿FG4失效時，與之相鄰腹桿桿件動力響應較為敏感。第二階段分別啟動A、B、C失效模式時，當堆載為3 t時，僅當C裝置啟動后，瞬間發生網架結構模型連續性倒塌，依次是1號支座，4號支座，然后3號支座四角錐腹桿發生屈曲，最后2號支座四角錐腹桿發生微弱屈曲，整個過程極為短暫≈1.0 s。網架結構模型破壞形態見圖9，可見支座附近腹桿屈曲嚴重，其他腹桿和弦桿發生微弱屈曲。因篇幅限制，后文僅以C失效模式說明，在網架結構連續性倒塌過程中的桿件應力、測點位移加速度試驗數據的時程曲線特征。

圖9 C模式網架結構破壞現象圖Fig.9 Failure phenomena of grid structure in Cmember failure pattern

對比基于ANSYS LS/DYNA仿真分析與試驗模型的倒塌試驗，表明兩者的失效形態基本一致，即FG4失效引起網架結構模型1號支座失效，然后傳播至4號支座，最后蔓延至3號支座導致結構發生體系失效。對比網架結構試驗模型因FG4失效的連續性倒塌傳播過程及失效形態看，仿真分析基本重現試驗模型倒塌過程。故在參數設置合理、結構體系空間受力形態基本一致情況下，仿真分析能完整重現網格結構復雜動力倒塌過程，對工程設計和模型試驗有重要的參考意義。

5 試驗數據分析

5.1 應變時程曲線

當堆載為3 t時，C失效裝置啟動時刻起，從圖10網架結構桿件應變時程曲線可知，各桿件應力變化存在兩個區間的變化特征(為了說明方便，以初始破壞時刻＜0.8 s為第一區間，破壞瞬間＞1.0 s為第二區間):在第一區間時，桿件應力有多次波動，數值發生顯著變化;而在第二區間時，桿件應力振蕩后，達到某一數值后，保持穩定狀態不再顯著變化。根據相關特征桿件敘述如下:上弦桿件SX－2、SX－3、SX－4、SX－5在156.2με、－49.6με和－151.7με值上下波動后，分別達到－1.5με、－91.6με、19.5με和－77.1με穩定值，因其值始終小于，結合試驗現象，說明上述桿件未出現桿件失穩和屈曲。上弦桿件SX－10在3 396 με應變值波動后，在21με應變值處保持穩定，因波動過程中其值存在超過，結合試驗現象，說明上述桿件經歷過動力屈曲失穩。下弦桿件XX－5、XX－6在－274.9με和－2 217με應變值波動，分別達到1 150.6 με和－9 957με穩定，結合桿件變形狀態，說明XX－5未屈曲，XX6已經出現動力屈曲失穩(見圖10(a))。腹桿FG－16、FG－22、FG－23和FG－24在－5 798 με、－3 088με、－1 832με和－221.5με值波動，分別達到－4 040με、－3 120.6με、3 252.3με和12 709.6με穩定，結合桿件變形狀態，均已經達到動力屈曲失穩(見圖10(b))。

圖10 連續性倒塌試驗過程的桿件動態應變圖Fig.10 Member strain history curve in the progressive collapse experiment

在第一區間，單獨選取FG5、FG16，FG24和SX6桿件分析＜0.8 s的應力時程曲線，并將試驗數據與ANSYS LS/DYNA仿真分析結果比較。與FG4平行相鄰的FG5的軸向應力變化規律(見圖11(a))，在試驗過程中，FG5初始微應變約為100με，當堆載為3 t時，啟動FG4失效后，FG5軸向應變急劇增大為680με，經過短暫振蕩后穩定于－50με附近，而數值分析結果表明，FG4失效致使FG5軸向應變由222.3με跳躍至889με，經過短暫振蕩后，動力穩定于－82με附近，仿真分析與試驗分析所得FG5軸向應變規律基本一致，從FG5動態應力可以總結出桿件動態應力變化可劃分為3個階段:動力沖擊階段、振蕩階段、動力穩定階段。

當失效沿著短軸向4號支座傳播時，結合桿件變形情況，短軸附近腹桿屈曲現象明顯(見圖11(c))。在失效蔓延至4號支座瞬間，4號支座四角錐腹桿發生嚴重屈曲。提取FG16應力變化規律(見圖11(b))，試驗監測結果表明，FG16軸向應力由初始－228με急劇增大至－5 798με，經過短暫振蕩后穩定在－4 040 με，數值仿真分析所得FG16應變變化趨勢與試驗所得數據基本一致，數值仿真分析所得最終應變值略大于試驗值。

當失效蔓延至3號支座時，FG24軸向應力變化規律(見圖11(c))，其所受軸向應力由初始微弱受壓狀態急劇變為受拉，試驗與有限元所得桿件變化規律基本一致，桿件最終應變超過12 000με，到達塑性變形狀態。在網架結構模型發生連續倒塌過程中，弦桿的變形不明顯，提取SX6軸向內力變化規律(見圖11 (d))。在網架結構模型發生連續倒塌過程中，發生塑性應變桿件多集中在支座附近，且局部重要桿件失效是引起網架結構體系失效的直接原因。

5.2 位移加速度時程曲線

初始局部破壞后試驗模型連續倒塌過程中采集到的位移和加速度時程曲線見圖12(a)～圖12(d)。試驗模型倒塌歷時約0.8 s，通過各測點加速度時程曲線可以看出，試驗模型發生整體失穩過程經歷3次劇烈振蕩，第一次劇烈振蕩發生在圖中0.1～0.2 s之間，對比各測點加速度幅值發現，a3測點動力效應最為劇烈，a1、a4測點次之，而a2測點的振蕩較弱，a4測點振動較強原因在于測點處于剛度較弱跨中附近，結合試驗模型倒塌過程可知，試驗模型振蕩來自于1號支座失效。第二次振蕩大約發生于0.45～0.55 s，此時4號支座失效。4號支座失效導致試驗模型向東側傾斜，故a1、a2、a3測點豎向加速度幅值較大，a4測點幅值較小。最后在0.75～0.85 s的振蕩來源于3號支座腹桿屈曲，與之較近A4測點動力效應最為劇烈。由此可知，3個支座的失效存在明顯先后順序，說明失效在實現模型中的蔓延現象明顯，且局部動力失穩是整體動力失穩誘因。加速度也是經歷從開始有較大幅值過渡到較小幅值，經過短暫波動后，然后又幅值增加的過程。測點位移和加速度時程曲線關鍵特征點與桿件應變關鍵特征點基本一致，變化趨勢反映了結構整體連續性倒塌過程破壞特征。

圖11 桿件應變時程曲線對比圖Fig.11 Comparison ofmember strain history curve

圖12 測點加速度－時間曲線Fig.12 Acceleration history curve ofmeasuring point

在網架結構模型倒塌瞬間，試驗測得n1測點豎向位移為130.2 mm，而有限元仿真分析所得豎向位移為142.4 mm，兩者之間誤差為9.4%，同理n2測點豎向位移誤差為3.8%，n3測點豎向位移誤差為14%，n4測點豎向位移誤差為4%，n5測點豎向位移誤差為8.9%，進一步驗證試驗分析與數值仿真分析所得到網架結構最終失效形態基本一致(見圖13)。

圖13 測點豎向位移對比圖Fig.13 Comparison of displacement history curve ofmeasuring point

5.3 網架結構模型失效模式探討

對于圖12、圖13所示網架結構進行FG4瞬時失效倒塌試驗和數值仿真分析表明:網架結構連續性倒塌主要是由于受壓桿件屈曲失穩引起整個網架結構發生連鎖反應式破壞，造成網架結構漸次四個支座失效發展到整體完全失去承載能力。結合試驗過程中各加速度測點加速度變化規律(見圖12)，試驗模型在倒塌過程中經歷了三次劇烈振蕩。第一次振蕩是因FG4失效引起1號支座處桿件四根腹桿屈曲失效(測試桿件有FG－1、FG－2和FG－5失效)，第二次振蕩是失效傳播至4號支座腹桿屈曲失效(測試桿件有FG－22、FG－23和FG－24)，第三次振蕩是由3號支座腹桿失效引起(測試桿件有FG－16、XX－6、XX－5)，最終導致結構發生體系失效，支座之間上下弦桿和腹桿大多只是輕微彎曲或完好，具有顯著連續倒塌特征。

試驗結果和仿真分析表明:結構體系的應變、加速度和位移等動力響應可以作為桿件重要性的評價指標，重要弦桿失效后，其承受的初始內力一般由與之平行相鄰的弦桿承擔，腹桿失效后其初始內力由與之相鄰桿件分擔，其范圍一般超過弦桿失效造成的影響。在網架結構模型發生連續倒塌的過程中，發生嚴重屈曲桿件多集中于支座和軸線附近。

6 結論

通過對網架結構連續性倒塌仿真分析和試驗分析研究，建立一套試驗系統，得出以下結論和建議:

(1)設計易拆裝網架結構試驗裝置，研制連續性倒塌試驗人為控制初始破壞裝置，成功進行一大尺寸網架結構連續性倒塌試驗。利用動態應變數據采集系統獲取初始破壞引發的動態失穩過程中的應變和位移，從其數據分析得到結構破壞過程中的持續時間，各測點的應變、位移時程曲線。

(2)初始破壞位置及數量的隨機性，試驗不可能都一一實現，本文結合數值仿真分析，基于桿件響應和結構體系應變能變化桿件重要性評估方法獲取敏感構件和關鍵構件，再進行有針對性試驗驗證，取得預想結果，該方法是今后進行連續性倒塌試驗的方向。

(3)C失效裝置啟動后，在網架結構連續性倒塌過程中，網架結構的桿件應變和節點加速度至少存在兩個區間的變化特征即剩余結構的內力重分布階段和在重力作用下趨于穩定階段。在內力重分布階段，網架結構的桿件應變和測點加速度在＜0.8 s有多次波動，數值發生顯著變化，當＞1.0 s逐漸趨于穩定階段，桿件的內力和節點位移趨于穩定值而保持恒定，節點加速度幅值逐漸削弱。

(4)試驗結果表明，支座之間及其相鄰處腹桿是網架結構關鍵桿件。該處腹桿初始破壞失效后，網架結構發生“連鎖反應”式連續性倒塌，本試驗模型在很短時間內，從支座1區受壓腹桿迅速蔓延到支座4、支座3、支座2區受壓腹桿屈曲失穩，導致網架結構發生整體失穩，具有顯著連續倒塌特征，在實際抗倒塌設計過程中要加強支座之間及其相鄰處腹桿承載力的富余量保證。

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Tests for dynam ical progressive collapse of a grid structure based on key member failure

DING Bei－dou1，2，LüHeng－lin1，2，LIXian1，2，ZHOU Lie－wu1，2
(1.Jiangsu Key Laboratory of Environmental Impact and Structural Safety in Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China;
2.State Key Laboratory for Geomechanics＆Deep Underground Engineering，
China University of Mining and Technology，Xuzhou 221006，China)

With a testmodel of a grid structure，testswere done for the progressive collapse of the structure based on member failure.The member importance evaluation method based on member axial force and strain energy change response was adopted to determine the initial failuremember and amanually controlled failure apparatuswas introduced.In tests，by using dynamic strain meters，guyed displacement and acceleration sensors，the time history curves of strain，displacement and acceleration of themodel structure，in the dynamic process due to the initial failurewere obtained.They revealed the collapse process and mechanism of the grid structure.The numerical simulation analysis and test results showed that the members between bearings and their adjacentmembers of the grid structure are key ones causing the progressive collapse of the grid structure after their initial failure;so，in the actual design，it is necessary to strengthen their load－bearing capacities.

progressive collapse;key element;grid structure;initial failure;failure apparatus;model test

TU311.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.23.019

國家自然科學基金項目(51008300);江蘇省自然科學基金項目(BK2011221);江蘇省土木工程環境災變與結構可靠性重點實驗室開放基金項目(JSKL2012YB09)

2014－08－28修改稿收到日期:2014－11－06

丁北斗男，博士，副教授，1973年生郵箱:dbdstar@163.com