钢管混凝土平面框架子结构抗连续倒塌精细有限元分析

竖向关键构件失效后,结构的抗倒塌能力主要以失效柱上部钢梁的梁机制和悬链线机制为主。选取"两跨三柱"型钢管混凝土平面框架子结构形式为研究对象,采用精细有限元法细致剖析竖向荷载全过程作用下平面框架的倒塌全过程,分析中柱竖向位移与承载力的全过程曲线特征,研究不同几何和物理参数对框架的抗力曲线的影响规律。结果表明:中柱承载力P-竖向位移Δ曲线分为四个阶段:梁机制阶段、转换机制阶段、悬链线机制阶段、破坏阶段。综合抗力指标和位移延性指标可以看出,钢梁翼缘厚度和钢管含钢率对该类结构的抗连续倒塌影响较为显著,工程实际设计和应用中应予重视。     

不等跨布置RC空间梁-板结构竖向倒塌能力数值研究

为研究不等跨布置下RC空间梁-板结构抗连续倒塌能力，利用有限元软件ABAQUS建立在关键柱失效下空间框架结构精细化模型，通过Pushdown分析方法对试验子结构进行数值模拟。分析关键柱失效位置、梁板参数、楼板的损伤性能以及梁端截面内力对倒塌能力的影响。分析结果显示:内柱失效工况下楼板能提供承载力的40%~50%，边柱失效工况下楼板能提供20%~30%的承载力，角柱失效工况下楼板能提供15%~25%的承载力；梁跨度越大，柱失效后结构承载力越低，等跨设计的结构较不等跨设计受力存在“滞后性”，且横向约束对无板结构承载力基本上没有影响；梁板参数对提高结构承载力以及延性有重要影响；小变形下楼板损伤性能可以反映楼板的屈服模式，从而可推测楼板裂缝分布；最后提出了不等跨布置下考虑楼板影响的承载力计算公式。     

组合楼板钢框架结构的连续倒塌简化模拟

该文借助经过校验的组合楼盖精细模型,建立了组合楼板钢框架结构连续倒塌有限元简化模型,通过与组合楼盖子结构试验对比验证了此简化模型的准确性。采用简化模型,分析了柱子失效位置、结构层数和组合楼板等参数对一个五层组合楼板钢框架原型结构抗连续倒塌性能的影响。分析结果表明：原型结构具有足够的承载力以避免由单个底层柱子失效所导致的结构连续倒塌;除了角柱失效工况外,原型结构的层数变化对结构抗连续倒塌性能的影响可以忽略,而在角柱失效工况下,层间桁架承载机制的贡献会使得原型结构比单层有楼板结构的抗连续倒塌承载力更高;在考虑组合楼板之后,原型结构的抗连续倒塌承载力提升了114%。     

RC框架结构抗地震倒塌性能评估的简化方法

框架结构抗地震倒塌性能的定量评估近年来受到广泛关注,迫切需要建立一套抗倒塌性能评估指标,而且需同时具备实用性和可行性。该文从我国抗震规范的延性设计要求出发,分别考虑柱、梁抗弯承载力比和柱弯曲屈服对应的剪力与柱受剪承载力比等参数对结构抗倒塌性能的影响,并分析了二者对结构抗倒塌性能影响的相关性。结果表明:柱、梁抗弯承载力比对结构抗倒塌性能影响显著,柱弯曲屈服对应的剪力与柱受剪承载力比对结构抗倒塌性能也有一定的影响,且二者对结构抗倒塌性能的影响存在相关性。通过对这两个结构参数进行不同的调整组合,考察结构的抗倒塌性能,进一步建立了简化的抗倒塌性能评估指标,为框架结构抗倒塌性能的定量评估提供参考。     

RC框架梁柱子结构抗连续倒塌性能不确定性分析

近年来,结构的抗连续倒塌问题在国内外引起了广泛关注。RC框架作为实际工程中最常见的结构形式被广泛研究。然而,已有RC框架梁柱子结构的连续倒塌性能相关研究多基于确定性分析且主要针对静力拆除构件工况。该文基于OpenSees分别建立了典型RC框架梁柱子结构的静力和动力连续倒塌分析有限元模型,通过试验对比验证了模型的准确性。在此基础上,考虑结构截面几何属性、材料特性等不确定性因素,基于拉丁超立方抽样生成不同模型并分析了结构不确定性对RC框架梁柱子结构静力和动力抗连续倒塌性能的影响。参数不确定性分析结果表明:悬链线机制对RC框架梁柱子结构的抗连续倒塌性能十分重要;而以梁端转角达到0.20 rad作为RC框架梁柱子结构动力失效指标在一定程度上偏于保守。参数敏感性分析结果表明:纵筋屈服强度、极限强度为影响RC框架梁柱子结构抗连续倒塌能力的主要因素。     

常规混凝土框剪结构连续倒塌动力响应分析

多高层办公建筑主要采用混凝土框剪结构，其在局部结构构件失效下的整体结构连续倒塌可能引发严重的经济损失和社会影响。该文针对常规结构布置的典型框剪结构开展了动力连续倒塌分析，总结其规律为结构毁伤下的连续倒塌快速评估提供依据。主要工作包括：按照不同抗震设防烈度、跨度、层数设计了18个典型结构布置的框剪结构，并采用纤维梁单元和分层壳单元建立了整体结构的数值模型库；采用非线性动力拆除构件法对整体结构开展了计算分析，获得结构系统在局部构件失效下的动力响应；对比分析不同结构的连续倒塌动力响应，研究不同参数对连续倒塌后果的影响。     

节点对RC框架结构抗连续倒塌能力影响研究

为了解节点对结构抗连续倒塌能力的影响,使用按照我国规范设计的RC框架结构对该问题进行了研究。对比了考虑节点影响和不考虑节点影响两种情况下的分析结果,发现节点对结构抗连续倒塌能力影响不能忽略,考虑节点影响后位移反应增大,结构抗连续倒塌的承载力会明显降低。该文同时对锚固在节点区的梁柱钢筋直径和强度、节点区剪切变形、节点区混凝土抗压强度等指标进行了参数分析,分析结果表明锚固在节点区的梁柱钢筋直径和强度对结构抗连续倒塌能力影响显著,而节点区剪切变形和混凝土抗压强度对结构抗倒塌能力基本无影响。此外,研究了考虑节点影响时结构构件的破坏模式,分析结果表明按我国规范设计的RC框架结构在连续倒塌过程中构件仍以弯曲破坏为主,并没有发现构件出现剪切破坏。研究结论为RC框架结构抗连续倒塌设计和加固提供了参考依据。     

基础隔震结构竖向连续倒塌机制及影响因素研究

主要分析了隔震结构竖向连续倒塌机制和结构不同参数对倒塌机制的影响。首先通过单榀隔震框架结构的竖向推覆试验对有限元软件Seismo Struct建立的模型进行了验证。之后利用该软件采用非线性Pushdown分析方法,对含不同楼板类型、不同隔震支座、不同抗震设计的多组有限元结构模型进行了分析和对比。分析结果表明楼板增强了梁机制作用下的抗连续倒塌承载力,而对悬链线机制下的增强取决于楼板参与宽度;随着设防烈度的提高,梁机制、悬链线机制下的抗连续倒塌承载力都有提高,但梁机制下的提高幅度更明显;与非隔震结构相比,由于隔震层约束的减弱,有些工况下结构梁机制的失效会延迟,而隔震层水平刚度的提高对隔震结构的竖向相对承载力影响不大。     

次边缘柱失效下预应力混凝土框架抗连续倒塌性能研究

考虑到去柱后弯矩方向在去柱处出现反转并且可能与预应力筋布置形式相反，预应力混凝土结构具有较大的倒塌风险，该文通过拟静力试验和数值模拟研究了次边缘柱失效下无黏结预应力混凝土(PC)梁-柱子结构的抗连续倒塌性能。对2个具有不同预应力筋布置形式(直线型和抛物线型)的1/2缩尺梁-柱子结构进行Pushdown加载，分析了试件的破坏模式、抗力机制演变和极限承载力。为量化预应力筋的影响，制作了一个具有相同几何尺寸和非预应力筋配筋率的钢筋混凝土试件作为参考。结果表明：预应力筋可以显著提高结构承载力，同时改变结构的破坏模式，降低结构变形能力。预应力筋产生的水平拉力加剧了边柱的挠曲P-δ效应，使边柱提早发生大偏心受压破坏。为进一步了解预应力混凝土框架抗倒塌性能，基于有限元软件LS-DYNA建立了精细化有限元模型开展系列参数分析。数值分析表明，预压应力可以增强压拱机制，预应力筋对于大变形阶段承载力的提高贡献显著。     

角柱失效下不等跨RC空间梁-柱子结构抗连续倒塌机理研究

本文通过角柱失效下钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)空间梁-柱子结构的Pushdown加载试验及其精细化有限元模型，对不等跨RC空间梁-柱子结构在角柱失效工况下的抗连续倒塌性能进行研究。基于所建立的有限元模型对不等跨RC空间梁-柱子结构的抗力机制等进行更深入的分析，探究了角柱上部水平约束、角柱节点配箍率和空间效应对不等跨RC空间梁-柱子结构抗连续倒塌性能的影响。研究结果表明，角柱失效工况下的不等跨RC空间梁-柱子结构不能有效发展悬链线机制而主要依靠梁机制抵抗倒塌，且空腹机制抗力的贡献不可忽略。角柱上部水平约束的增强，会提高第一峰值荷载，但是同时会导致角柱节点承受更高的剪应力从而提早发生剪切破坏。角柱节点配置一定量箍筋后会延迟和减轻角柱节点发生剪切破坏，从而提高结构的抗连续倒塌能力。对于角柱失效工况，空间效应不能通过简单叠加两个方向的平面框架抗力进行计算，因为空间效应三维剪应力作用会加速角柱节点发生剪切破坏。     

型钢再生混凝土框架-再生砌块填充墙结构恢复力模型试验研究

对7榀1/2.5比例单层单跨型钢再生混凝土框架-再生砌块填充墙模型进行低周反复荷载作用下的抗震性能试验研究,分析了墙体设置形式、填充墙砌块强度、拉筋构造形式、轴压比以及墙体宽高比等设计参数对该种结构抗震性能的影响。研究了模型的典型破坏形态、荷载-位移曲线、承载能力以及位移延性等。结果表明:试验模型的典型破坏形态均符合“强柱弱梁”的破坏模式,框架部分的破坏程度随墙体全高填砌而减轻;在框架中加设墙体后可明显提高结构承载力和初始刚度,墙体填充率越大、填充墙砌块强度越高、拉筋间距越小、轴压比越高、墙体宽高比越大,结构承载力与初始刚度提高越明显;结构的位移延性均值达到6.26,高于钢筋再生混凝土框架-填充墙、普通钢筋混凝土框架-填充墙以及钢筋混凝土异形柱框架-填充墙等结构,抗倒塌能力较强。在试验研究的基础上,通过有限元与试验结合的方法,建立了相应的四折线恢复力模型,可用于型钢再生混凝土框架结构的弹塑性地震反应分析。     

钢筋混凝土梁-板子结构抗连续性倒塌性能研究

该文通过试验与有限元模拟研究边柱失效工况下钢筋混凝土（RC）梁-板子结构抗连续倒塌性能。在实验室通过对RC梁-板子结构缩尺模型开展pushdown试验研究梁-板子结构的破坏模态,并进一步讨论了梁-板子结构在倒塌过程中的荷载传递机理和抗力机制。试验结果表明:RC梁-板子结构在倒数第二个边柱失效下可以形成有效的梁机制、压拱机制、悬链线机制以及拉膜机制抵抗倒塌。在小变形阶段,楼板在负弯矩区作为梁翼缘可以显著提升RC梁抗弯承载力（T型梁作用）;在大变形阶段,楼板发展拉膜作用早于梁发展悬链线机制。此外,根据有限元软件LSDYNA开展的数值分析结果表明:楼板提升RC框架屈服承载力与极限承载力分别高达65%和61%。     

钢筋混凝土框架抗连续倒塌的压拱机制分析模型EI北大核心CSCD

钢筋混凝土框架结构依靠梁板组成的楼盖系统来抵抗连续倒塌,其在小变形下的连续倒塌抗力由梁板内的压拱机制提供。现有压拱机制的宏观理论分析模型参数过多且不能考虑楼板的影响,因此难以在工程设计中进行应用。该文基于楼盖系统微观受力机理的分析,建立了压拱机制下梁板子结构系统的连续倒塌抗力分析模型。和现有模型相比,该文计算模型的参数大幅减少、公式显著简化,且能够考虑楼板和梁抵抗连续倒塌的共同作用。通过与国内外47个梁试件和6个梁板子结构试件的试验结果进行对比,发现该文计算模型在计算梁试件时计算精度和现有模型精度相同,而在计算梁板共同作用下的连续倒塌抗力时精度提高显著,能够为混凝土框架结构的抗连续倒塌工程设计提供参考。     

考虑周边结构约束影响的RC框架结构防连续倒塌性能研究

为了考察周边结构约束对钢筋混凝土（RC）框架结构防连续倒塌承载能力的影响,该文通过Qian K等进行的中柱移除的框架子结构拟静力试验,校核了论文中ABAQUS软件建立的框架子结构精细有限元分析模型的准确性。模拟所得的荷载位移曲线与试验曲线吻合良好,较好地模拟了中柱移除至子结构破坏的全过程。在成功进行模型校核的基础上,通过改变平面框架两侧边跨的约束情况,分析了两侧边跨约束对所研究子结构防连续倒塌承载力的影响;其次通过对比考虑楼板与不考虑楼板的单层空间结构的承载力,分析了楼板在结构防连续倒塌受力过程中对提高压拱阶段和悬链线阶段承载力的作用,讨论了楼板对连续倒塌各个受力阶段不同的影响;最后建立了多层空间框架结构模型,研究框架底层柱移除过程中结构的承载能力,分析发现楼层数的增加,成倍地提高框架结构承载力,并对连续倒塌各个受力阶段产生不同的影响。     

钢筋混凝土框架抗连续倒塌的压拱机制分析模型

钢筋混凝土框架结构依靠梁板组成的楼盖系统来抵抗连续倒塌,其在小变形下的连续倒塌抗力由梁板内的压拱机制提供。现有压拱机制的宏观理论分析模型参数过多且不能考虑楼板的影响,因此难以在工程设计中进行应用。该文基于楼盖系统微观受力机理的分析,建立了压拱机制下梁板子结构系统的连续倒塌抗力分析模型。和现有模型相比,该文计算模型的参数大幅减少、公式显著简化,且能够考虑楼板和梁抵抗连续倒塌的共同作用。通过与国内外47个梁试件和6个梁板子结构试件的试验结果进行对比,发现该文计算模型在计算梁试件时计算精度和现有模型精度相同,而在计算梁板共同作用下的连续倒塌抗力时精度提高显著,能够为混凝土框架结构的抗连续倒塌工程设计提供参考。     

带板钢筋混凝土框架连续倒塌理论分析

采用拆除构件法对一榀两层2×1跨带板钢筋混凝土框架结构进行拟静力倒塌试验,分析了框架结构底层边柱失效后,剩余结构竖向倒塌的变形破坏模式以及受力机制。试验结果表明:带板混凝土结构连续倒塌抗力先后由梁拱-板压膜机制、梁拱-板拉膜机制、梁悬索-板拉膜机制、板拉膜机制提供;结构变形先后经历外推、内收、倒塌三个阶段,结构最大抗力出现在框架柱内收-外推转换点（梁悬索-板拉膜机制）。框架梁破坏后,结构转化为板柱模型,现浇板仍能将抗力维持在较高水平。理论分析了结构竖向连续倒塌关键变形处的临界位移和抗力值,提出了结构极限承载力计算方法,并建议同时考虑极限承载力和梁端转角对混凝土结构进行倒塌判定。     

钢框架连续倒塌的模拟方法研究

对钢框架结构在进行连续倒塌分析时的计算模型进行了研究。以1个两层两跨平面钢框架为例,分别建立了传统的理想刚接杆系模型和实体模型,采用抽柱法对2种模型进行了动力非线性分析,比较分析结果得出传统的理想刚接杆系模型由于没能考虑节点的受力与塑性变形,不能准确地反映结构连续倒塌的动力效应,使得结构抗连续倒塌性能评估结果偏不安全。对引入节点机械模型的平面钢框架进行连续倒塌分析,其计算结果与实体模型的结果接近,可较准确地反映结构抗连续倒塌性能,且耗时远小于实体模型的计算时间。建议对框架结构进行连续倒塌分析时采用引入节点性能的杆系模型。     

现浇楼板对钢筋混凝土框架结构在地震作用下破坏形式的影响

“5.12”汶川地震造成一些钢筋混凝土框架结构损坏甚至倒塌。灾后调查发现,框架结构震害特点之一是柱端而非梁端出现塑性铰的“强梁弱柱”破坏形式,这与结构抗震设计概念中的“强柱弱梁”不符。国内外研究表明现浇楼板增大了梁端抗负弯承载力,但其对整个框架结构屈服机制的影响研究依然不足。针对这种现象,应用有限元软件ABAQUS对汶川地震中都江堰市某典型“强梁弱柱”框架进行三维动力弹塑性时程数值模拟,着重从结构角度上分析了现浇楼板对框架结构抗震性能的影响、探讨了负弯矩作用下梁端有效翼缘的取值。经分析,发现按照目前我国规范设计的框架在遭遇大震时较难实现“强柱弱梁”屈服机制。框架设计时宜在柱端弯矩增大系数不变的情况下,负弯矩作用下梁端有效翼缘范围内的板筋参与梁受弯,建议该范围取6倍板宽;大震下框架弹塑性变形验算宜采用考虑现浇楼板的计算模型。     

基于Pushover分析的钢筋混凝土框架结构抗侧向倒塌能力评定

建筑物在地震作用下的倒塌是造成地震灾害的主要原因,如何合理评定建筑物的抗倒塌能力是结构抗倒塌设计的前提条件,也是对现有结构进行抗震性能鉴定与加固的基础。该文提出采用结构整体抗震性能系数作为结构整体抗侧向倒塌能力的定量评定指标,以一榀严格按我国规范设计的钢筋混凝土框架结构为例,采用Pushover分析方法对其进行侧向增量倒塌分析,通过结构的失效模式来识别结构的破坏过程,得到了结构超强系数、延性系数、延性折减系数、反应修正系数以及位移放大系数,分析中考虑了不同侧向力分布形式、梁柱线刚度比、柱端弯矩增大系数(COF)对结构抗倒塌能力的影响。研究结果表明:通过结构整体抗震性能系数可以对结构整体抗倒塌能力进行定量评估,可以实现结构延性与承载力的双重控制。     

FRP布加固混凝土框架子结构抗连续倒塌的精细有限元分析EI北大核心CSCD

外贴FRP布加固是一种有效提高既有建筑抗连续倒塌性能的手段,但现有FRP布加固方式存在降低结构抗震性能、加固施工不便等缺点。该文采用数值模拟方法分析了FRP布加固方式对现浇和装配式混凝土框架子结构抗连续倒塌与抗震性能的影响,并开展了优化方案研究。基于通用有限元软件LS-DYNA建立了FRP布加固混凝土框架子结构的连续倒塌精细数值模型,其中混凝土、钢筋与FRP布分别采用实体、梁与壳单元进行模拟,考虑了FRP布和钢筋的滑移、新旧混凝土界面的粘结失效和机械套筒处的钢筋截面损失。试验验证表明该方法可准确模拟试验试件的破坏模式和承载力发展。分析试验试件的不同粘贴方案结果发现:对现浇混凝土子结构,梁底与梁侧中性轴粘贴纵向FRP布并在梁端塑性铰区粘贴U形横向FRP布后,小变形下的结构倒塌抗力提升有限(最大仅2.6%)、基本不影响结构抗震性能,而对大变形下的结构倒塌抗力提升幅度可达49.5%;对于装配式混凝土子结构,在梁底、梁顶与梁侧底部外贴纵向布并在梁端塑性铰区粘贴U形横向FRP布可将小变形和大变形下的结构抗力最大提升24.2%和48.1%,使得装配式子结构在小变形下受力等同现浇结构,提升了原装配式子结构的抗震性能。对上述最优方案进一步的分析表明:保持FRP布用量不变而将塑性铰区内U形横向FRP布的分布范围和条数增加可提高大变形下的结构倒塌抗力,而不影响小变形下的加固效果。