梁贯通型RCS组合结构梁柱节点抗连续倒塌研究

为研究钢筋混凝土柱 钢梁(RCS)组合结构在拆除底层第2根侧边柱工况(最危险工况)下节点的抗连续性倒塌性能与机理,试验以梁翼缘切割式的梁贯通型RCS结构节点构件为研究对象,通过梁跨度差异模拟第2根侧边柱失效时剩余结构抗侧移刚度及梁端约束能力不同的特点,采用静力加载的方式模拟非对称倒塌破坏全过程。研究试验曲线特征与破坏模式,分析试件节点控制截面内力发展情况与抗力机制。结果表明：底层第2根侧边柱失效后的梁贯通型RCS结构节点的受力薄弱部位出现在梁上翼缘,且易首先在侧向刚度较小一侧的上翼缘出现局部屈曲,结构的抗力机制由梁抗弯机制转变为抗弯机制与悬链线机制共同作用,之后由于该侧上翼缘及腹板发生严重局部屈曲,导致结构在充分发挥悬链线效应之前发生非对称破坏。     

连续性倒塌工况下钢管柱框架节点的破坏模式与鲁棒性

采用双半跨单柱型梁柱子结构,通过静力加载试验考察了圆钢管柱外环板节点与方钢管柱内隔板节点在中柱失效连续性倒塌工况下的破坏模式,并以梁柱子结构竖向抗力来评估梁柱节点的鲁棒性。试验参数包括连接方式、螺栓布置、梁端构造与跨高比。试验结果表明,在柱顶施加竖向位移的过程中,梁柱子结构的破坏均出现在梁柱节点部位,不同的连接构造呈现出不同的损伤演化机制。节点破坏模式可分为梁端连续性破坏、梁端间断性破坏与柱身破坏三类。当节点破坏发生在梁端,采用全焊连接的节点发生梁端连续性破坏,采用栓焊混合连接的节点发生梁端间断性破坏。柱身破坏模式的发生前提为下层内隔板与柱身脱离,与腹板连接方式无直接关系。在梁端间断性破坏或柱身破坏的演化过程中,节点在初始断裂后仍可保持有效的梁柱拉结作用,悬索机制得以开展并为梁柱子结构提供稳定的后期承载力,节点具有较好的鲁棒性。节点若发生梁端连续性破坏,梁端截面面积逐步减小导致梁柱拉结作用削弱,梁柱子结构无法有效开展悬索机制,节点鲁棒性能较差。     

机械套筒连接预制混凝土结构抗连续倒塌机理

为研究机械套筒连接预制混凝土(PC)结构的抗连续倒塌性能,对2个1/2缩尺PC子结构开展了试验研究,获得了PC子结构的破坏模式、竖向抗力-位移曲线、水平反力-位移曲线和梁挠度曲线。通过有限元软件LS-DYNA建立了精细化有限元模型,并开展了数值分析。结果表明:子结构破坏主要集中在梁端,其中靠近中柱的梁端破坏相较于靠近边柱的梁端破坏更为严重; 梁-柱节点区域未发生明显破坏,试件的最终失效由中柱两侧梁端纵筋断裂控制,采用机械套筒连接可以保证梁底部钢筋的连续性; 压拱阶段和悬索阶段子结构主要通过梁截面剪力和轴拉力传递荷载; 增大钢筋直径可以显著提高子结构的第一峰值承载力和极限承载力; 混凝土抗压强度对于机械套筒连接PC子结构的承载力影响不大,但提高混凝土强度会提高混凝土与钢筋间的黏结力,导致梁纵筋更早发生断裂。     

新型卷边部分外包组合柱-钢梁端板连接组合框架层间抗震机理研究

为进一步研究新型卷边部分外包组合柱(PEC柱)-钢梁组合框架层间抗震机理,以新型卷边PEC柱-钢梁端板预拉对穿螺栓连接组合框架中间层子结构试验试件作为研究对象,利用有限元软件ABAQUS对其进行水平低周往复荷载下抗震性能的有限元分析。基于计算数据整理,分析试件结构的承载力与抗侧刚度、节点连接性能、耗能能力、剪力分配、变形模式、节点域传力机理和破坏模式等抗震性能。研究结果表明:试件结构具有较高的承载力和初始抗侧刚度;新型卷边PEC柱平均分担试件层间水平剪力;预拉对穿螺栓具有部分自复位功效;梁端连接具有较大的转动刚度,相应限制了其转动能力的发挥;试件最终破坏模式为所有梁端端板附近截面形成塑性铰的塑性机构,而相应层间剪切角和节点连接转角均超过设防烈度地震层间侧移限值1/50,表明该结构体系具有良好的抗震倒塌性能。     

基于ABAQUS考虑柱对框架结构抗连续倒塌承载力影响的数值模拟

为了研究框架柱在框架结构抗连续倒塌过程中所起的作用和框架柱对框架结构抗连续倒塌的承载能力的影响,文章通过Qian K等进行的中柱失效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,较好地模拟了中柱失效直至子结构破坏的全过程。在成功进行模型校核的基础上,通过改变平面框架边柱的柱高、轴压比,分析了边柱约束对所研究子结构抗连续倒塌承载力的影响;研究了框架梁柱线刚度比的差异对框架结构抗连续倒塌受荷机理的影响;并探讨了考虑框架柱的框架在中柱移除过程中的荷载转化路径和受荷机理。模拟表明框架柱在结构抗连续倒塌过程中作用明显,抗连续倒塌设计时要充分考虑框架柱的作用。     

基于子结构的薄钢板PEC柱-钢梁组合框架层间倒塌机理分析

为揭示薄钢板组合截面部分外包混凝土组合PEC柱-钢梁组合框架中间层倒塌机理,本文利用商业有限元软件ABAQUS,对采用预拉对穿螺栓端板狗骨式连接的薄钢板组合截面PEC柱-钢梁组合框架中间层子结构试验试件建模,并进行水平低周往复荷载下抗震性能的有限元分析。基于计算结果,分析试件结构的承载力与抗侧刚度、节点连接转动性能、耗能能力、剪力分配、变形模式、节点区传力机理和破坏模式等抗震性能。研究结果表明:试件具有较高的承载力和较大的初始抗侧刚度;PEC柱平均分担试件层间水平剪力;预拉对穿螺栓表现出部分自复位功效;梁端截面削弱实现了塑性铰位置远离节点区,且保证了连接具有良好的转动能力和结构耗散地震能能力;试件最终破坏模式为所有梁端削弱截面形成塑性铰的塑性倒塌机构,对应节点连接转角和层间剪切角均满足中震层间侧移限值1/50要求,表明该结构体系具有良好的耗能能力和抗倒塌性能。     

梁柱子结构形式对钢框架结构抗连续倒塌性能的影响

基于多层多跨平面钢框架在中柱失效工况下的有限元分析,提出了两跨三柱梁柱子结构的模型。以栓焊节点为例,采用ANSYS对三种子结构模型在中柱失效工况下的破坏过程和失效机理进行精细化有限元分析。结果表明,三种模型在不同程度上放大了节点的变形或钢梁的悬链线效应;提出的两跨三柱梁柱子结构模型能有效反映框架结构在连续倒塌工况下失效柱所在节点的边界条件。采用所提出的两跨三柱梁柱子结构模型,对传统栓焊(WUFB)节点、盖板加强型(WCPF)节点和翼缘削弱型(RBS)节点进行精细化有限元分析。结果表明,盖板加强型节点和翼缘削弱型节点能够实现塑性铰外移,抗连续倒塌性能优于传统栓焊节点;三种节点的抗倒塌性能对比关系与常用的半跨梁柱子结构模型的分析结果一致。     

提升抗连续倒塌能力的钢框架梁柱刚性节点设计理念与方法

以方钢管柱隔板贯通式节点为研究对象，为提高其抗连续倒塌性能，提出了采用改进型全螺栓连接和加固型栓焊连接的钢框架梁柱刚性节点设计方法。通过试验及有限元模拟分析，考察不同连接构造的节点在中柱失效工况下的性能。结果表明：改进型全螺栓连接构造能够延缓下翼缘断裂，使节点子结构在更大的变形下保持传力截面的完整性，弯曲机制和悬索机制提供的抗力能同时发展至较大的值；加固型栓焊连接构造保证下翼缘连接板件在焊接连接失效后继续有效传力，且使螺栓孔壁局部承压塑性破坏优先发生，传力截面在更大的变形下能保持其完整性，梁端轴力可达到全截面轴拉屈服承载力，悬索机制提供的抗力可充分发展。因此，改进型全螺栓连接构造与加固型栓焊连接构造可提高结构的抗连续倒塌能力，验证了设计方法的可行性。     

偏心支撑对钢管混凝土组合柱框架抗连续倒塌性能的影响

对钢管混凝土组合柱结构框架、框架偏心支撑结构进行连续倒塌研究,采用PERFORM-3D软件建立10层空间模形,采用拆除构件法即分别拆除底层角柱、边柱及位于结构中间的柱子,对剩余结构进行非线性动力分析。分析结果表明,当组合柱失效,与之相连的梁端的塑性转角大于规范值,即结构会发生连续倒塌。增加偏心支撑,梁端的塑性转角小于规范值,不会发生倒塌,提高结构抗倒塌能力,同时判断出偏心支撑的A形支撑抗倒塌能力最强。     

全填充墙钢筋混凝土框架不同失效工况下的抗连续倒塌机理研究北大核心

为研究失效工况对全填充墙钢筋混凝土(RC)框架结构抗连续倒塌性能的影响,基于有限元软件ABAQUS,建立了不同失效工况下的全填充墙RC框架的抗连续倒塌分析的精细化有限元模型,选取了合适的本构模型,并与已有的试验研究结果进行了对比,验证了建模方法和本构关系选取的合理性。在此基础上,通过对比分析了不同失效工况下的全填充墙RC框架结构抗连续倒塌的全过程荷载-位移关系、试件的整体破坏模式以及填充墙的局部破坏模式。结果表明:中柱失效工况下全填充墙RC框架的峰值荷载最高,次边柱失效工况下次之,边柱失效工况下最低;全填充墙RC框架边界在强约束作用下,与失效柱相连的框架梁发生破坏,但相邻柱并不发生破坏,且填充墙会形成撑杆效应,而弱约束作用下,试件框架梁和相邻柱均会发生破坏,边界一侧无约束作用下,破坏会向有边界约束侧的相邻跨发生传递。     

部分约束下组合梁柱子结构抗连续倒塌机理

为研究部分约束钢框架组合梁柱子结构的抗连续倒塌机理,对其进行数值模拟研究。利用ABAQUS软件建立了1:3缩尺的部分边界约束组合梁柱子结构的精细化数值模型,模型计算结果与试验结果吻合较好,验证了有限元建模方法的正确性。在此基础上建立足尺模型,分析边界约束侧向刚度、边柱尺寸、边柱轴压比对部分边界约束下组合梁柱子结构的抗连续倒塌性能的影响。结果表明:当弹簧约束系数n<1时,边界约束侧向刚度对组合梁柱子结构的抗连续倒塌性能影响显著,增大侧向约束刚度可有效提高组合梁柱子结构的抗连续倒塌性能; 当弹簧约束系数n>1时,增大侧向约束刚度对组合子结构的抗连续倒塌性能影响较小; 边柱尺寸过大或过小均不利于组合梁柱子结构抗连续倒塌性能的发挥,当梁柱线刚度比处于0.6～1.1区间时,边柱尺寸越大,悬链线机制发挥越充分,组合梁柱子结构的抗连续倒塌性能越好; 边柱轴压比对不同机制抗力的占比影响不大,但会影响组合梁柱子结构的承载能力,当边柱轴压比取0.3时,组合梁柱子结构的抗连续倒塌性能发挥最佳。     

Performance of bolted angle connections in progressive collapse of steel frames

This paper is mainly focused on the behaviour of bolted top‐seat angle connections with double web angles, categorized as partially restrained connections, in progressive collapse of semi‐rigid steel frames due to sudden column loss. The main characteristics of this type of loading are declared and the effect of the imposed boundary conditions on the motivated elements is depicted. To study the performance of frame connections under these conditions, refined nonlinear finite element modelling technique is used. The models are created based on the previous experimental studies and their accuracy is examined through a comparison to the results of these tests. New models are created under conditions of the progressive collapse and the behaviour of the connections is studied. The study showed that due to the applied boundary conditions, the connections behave stiffer and show a higher moment capacity. Based on the results of the numerical models, equations are presented to estimate the moment‐rotation response of the studied connections under progressive collapse conditions based on the beam and connection mechanical and geometrical properties and the connection rotation. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

螺栓连接预制混凝土梁-板子结构抗连续倒塌机理研究

为研究螺栓连接预制混凝土(PC) 结构的抗连续倒塌性能,制作一个两跨1/3缩尺的螺栓连接PC梁-板子结构试件,采用堆加均布荷载与Pushdown相结合的加载方式研究其在受力过程中的开裂模式和抗力曲线。结果表明：螺栓连接PC框架具有较好的变形能力;在加载初期试件抗力主要由梁和板的抗弯机制提供;与RC结构不同的是压拱机制作用对PC梁抗倒塌贡献较少。由于梁柱节点部位螺栓附近混凝土容易发生撕裂破坏导致预制梁提早退出工作,但板中钢筋网在大变形阶段可以发展拉膜机制使得子结构可以继续承受荷载,不至于发生倒塌破坏。通过有限元软件LSDYNA建模,进一步分析了螺栓连接PC结构的预制梁与板(预制板和后浇叠合层)对结构抗力的贡献。有限元分析表明,预制板及后浇叠合层在加载初期的抗力贡献高达87%,在大变形阶段由于叠合层钢筋网发展拉膜机制,其抗力贡献也高达72%。     

预压装配式预应力混凝土框架边柱拆除时抗连续倒塌性能试验研究与理论分析

对一榀二层二跨预压装配式预应力混凝土(PC)平面框架进行了静力拆除底层边柱的试验及理论分析,探究了裂缝发展、变形能力、破坏模式及连续倒塌机理。根据试验框架达到极限承载力时的状态,提出了边柱失效时简化的结构抗力分析模型,并推导出结构抗倒塌极限承载力的计算方法; 基于能量法建立近似的动力响应评估模型,根据试验框架静力加载荷载-位移曲线近似得到其在边柱瞬时失效时的动力响应曲线。结果表明:框架的受力过程可分为弹性、弹塑性、塑性铰以及倒塌4个阶段; 加载时试件的混凝土裂缝开展及破坏集中在失效边柱相邻区域框架梁两侧梁端结合部,除失效边柱外,其余框架柱以及失效柱远离区域框架梁端基本完好; 框架在小变形阶段按梁机制受力,存在压拱效应及空腹效应; 在大变形阶段不能按悬链线机制受力,由梁的受弯机制和空腹机制共同抵抗不平衡荷载; 边柱失效时预压装配式预应力混凝土框架最大抗力达到60.9 kN,最终倒塌位移为430 mm,梁端转角为10.0°～15.3°,具有较好的抗连续倒塌能力。     

法兰连接L形钢管混凝土柱-H型钢梁全螺栓节点抗震性能研究

为降低多高层钢结构的梁柱间的装配难度,提出了法兰连接L形钢管混凝土柱-H型钢梁全螺栓装配节点,包括梁与柱连接和柱与柱连接,梁与柱现场全螺栓连接,柱与柱现场法兰连接。为研究连接件形式及加劲肋对该种节点抗震性能的影响,以改变连接件形式、加劲构造为主要变化参数,设计了4个该类型节点,通过低周反复加载试验和有限元分析获得了节点的破坏模式、滞回曲线、耗能能力和性能指标。研究结果表明：4个节点的滞回曲线均呈梭形,具有良好的耗能能力;节点正负方向的塑性转角超过0.05 rad,满足抗震规范要求;L形连接件与T形连接件均有足够的刚度传递荷载,4个节点的破坏模式、耗能能力与滞回曲线形状较为接近;连接件与梁翼缘之间的滑移提高了节点的延性、耗能能力与转动能力。     

采用不同节点形式的三维钢框架-组合楼板子结构抗连续倒塌性能试验研究

为研究三维钢框架-组合楼板子结构的抗连续倒塌性能,对4个采用不同节点形式的1/3缩尺组合楼板试件在移除边柱工况下进行了拟静力试验。试件主梁与柱的连接形式为平齐式端板(FEP)节点、反向槽钢(RC)节点、狗骨式(RBS)节点与栓焊混合(WUFB)节点,次梁与柱及次梁与主梁的连接形式为腹板双角钢(DAC)节点或剪切板(FP)节点。通过特殊设计的6点加载系统实现位移控制下的均布荷载作用,获得了三维钢框架-组合楼板子结构加载全过程的荷载-位移曲线以及破坏模式,并分析了抗弯效应、悬链线效应及楼板的受拉薄膜效应对结构抗连续倒塌性能的影响。结果表明:对于主梁节点,采用栓焊混合连接的试件具有较高的初始刚度和极限承载力,而采用反向槽钢连接的试件则具有较好的延性,采用狗骨式连接的试件具有最好的能量吸收能力; 对于次梁节点,采用剪切板连接的试件呈现出明显的脆性破坏特征,而其他采用腹板双角钢连接的试件发生的是延性破坏; 在边柱失效情况下,抗弯效应在抵抗连续倒塌过程中一直起主导作用,楼板的受拉薄膜效应在结构的大变形阶段也发挥着一定的作用,而悬链线效应贡献较小,可忽略不计。     

考虑加载制度影响的狗骨式连接钢框架子结构抗震性能试验研究

为研究加载制度对狗骨式连接钢框架结构变形能力及累积耗能能力的影响,设计了5榀单跨狗骨式连接钢框架子结构,对其进行单向加载、等位移循环加载、标准加载及近场地震动作用下的拟静力试验。结果表明：所有框架出现的塑性铰均在钢梁端部的翼缘削弱位置,避免了钢梁端部焊缝的过早脆性断裂;狗骨式连接钢框架结构滞回曲线饱满、变形能力及延性性能优良。此外,加载制度对狗骨式连接钢框架子结构的层抗侧刚度、水平承载力退化、极限变形能力及累积耗能能力均有显著影响。等位移循环时,加载位移幅值越小,狗骨式连接钢框架子结构的层抗侧刚度及承载力退化越趋于缓慢,其层间累积延性系数及等效能量耗散系数越大。     

Influence of Semi‐Rigid Connections and Local Joint Damage on Progressive Collapse of Steel Frameworks

Abstract: Semi‐rigidly connected steel frames are more vulnerable than rigidly connected frames to resist progressive collapse due to abnormal loading events. This article extends the threat‐independent method for progressive‐failure analysis of rigid frames to analysis accounting for semi‐rigid connections. The influence of joint damage caused by disengagement of member(s) is also considered in the analysis, and the degree of damage is modeled by a health index. A compound element model is employed to include the contributions of nonlinear behavior of beam‐to‐column connections, connection and member‐end damage, member inelasticity, member shear deformation, and geometrical nonlinearity to structural response. Four beam collapse modes are illustrated for the progressive collapse analysis associated with debris loading generated when disengaged structural components fall onto lower parts of the structure. The impact effect is taken into account for the quasi‐static nonlinear analysis by utilizing an impact amplification factor according to GSA and DoD guidelines. Any progressive collapse occurring thereafter involves a series of collapse events associated with topological changes of the frame. The analysis procedure is illustrated for the progressive collapse behavior of two planar steel frames. The results demonstrate that the proposed method is potentially an effective tool for the progressive collapse analysis of semi‐rigid steel frames under abnormal loading events.