考虑悬链线效应的钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌能力分析

为了研究悬链线效应对钢筋混凝土（RC）框架结构抗连续倒塌能力的影响,基于OpenSees建立可以考虑悬链线效应的RC框架宏模型,通过两个RC框架子结构在移除中柱后的竖向承载力试验结果对比,验证了所采用宏模型的合理性,并研究了悬链线效应对RC框架子结构抗连续倒塌能力的影响。分别采用备用荷载路径法中的非线性静力方法和非线性动力方法对1栋10层RC框架结构进行抗连续倒塌能力分析,研究悬链线效应对RC框架整体结构抗连续倒塌能力的影响。结果表明：不考虑悬链线效应的影响将低估RC框架结构的抗连续倒塌能力;在移除底层中柱情况下,不考虑悬链线效应分析得到的荷载放大系数最大值小于2.0,而考虑悬链线效应分析得到的荷载放大系数最大值则超过2.0。     

基于能量方法的RC框架结构连续倒塌抗力需求分析II：悬链线机制

悬链线机制下的连续倒塌抗力需求计算是RC框架结构大变形阶段抗连续倒塌设计的关键。现有规范方法没有考虑非线性动力效应对该阶段抗力需求的影响,因而导致不安全的设计结果。根据RC框架结构基于能量平衡原理的抗连续倒塌抗力需求分析的理论框架,推导了RC框架结构在悬链线机制下抗连续倒塌子结构及其构件的非线性动力抗力需求与非线性静力抗力需求之间的关系,建立了RC框架结构悬链线机制下连续倒塌抗力需求计算的理论方法。通过数值算例验证了本文方法能够正确描述RC框架在悬链线机制下的连续倒塌抗力需求关系。     

钢筋混凝土单向梁板子结构抗连续倒塌试验研究

梁和板组成的楼盖系统是框架结构的主要抗连续倒塌构件。为了分析各类结构参数对钢筋混凝土楼盖系统抗连续倒塌性能的影响,该文首先根据《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010设计制作了8个钢筋混凝土单向梁板子结构缩尺试件,这些试件具有不同的截面尺寸和配筋率。然后通过竖向加载试验研究这些试件在中柱破坏后的材料变形/损伤和抗连续倒塌承载力。试验结果表明：带楼板的子结构试件的承载能力明显高于相同截面的梁试件的承载能力;试件在梁机制阶段的承载能力主要由截面尺寸和钢筋面积所决定,而悬链线机制阶段的承载能力主要由截面中连续钢筋面积所决定;楼板的宽度、厚度和板内配筋以及梁高对梁机制下的承载力有较大的提高,其中板宽在大于一定值后影响变得不显著;只有楼板宽度和楼板配筋率对悬链线机制下的承载力有显著影响;梁内抗震配筋对缩尺试件在两个阶段的抗连续倒塌承载力影响都不大。     

单层钢筋混凝土框架结构水平向连续倒塌试验研究

钢筋混凝土(RC)框架结构因竖向构件抗侧能力不足而引起的水平向连续倒塌模式会引起破坏在更大的范围内传播,目前国内外关于RC框架结构水平向连续倒塌的研究有待深入。试验中设计了一榀非对称的单层RC平面框架,对其进行静力倒塌试验,分析了该框架在局部竖向构件失效后的水平向连续倒塌的受力机理和倒塌抗力。结果表明:RC框架在水平向连续倒塌的最终破坏形式为梁端和柱底发生塑性破坏、框架形成机构;柱对梁板水平约束的不足导致梁板在压拱机制下发生了较大的竖向位移,使得梁板内压力对该阶段的框架倒塌抗力贡献降低;梁板在悬链线机制下的倒塌抗力受柱提供的水平约束的刚度和承载力的影响,当约束不足时框架倒塌抗力随竖向位移的增大不断下降,这与既有竖向倒塌试验结果相反。     

RC框架结构梁板柱空间协同抗连续性倒塌非线性有限元分析

采用三维实体退化虚拟层合单元非线性有限元分析法,考虑梁板柱空间协同效应,经对一单层2×2跨RC空间板柱结构中柱失效倒塌试验模拟分析并与试验结果对比之后,分别对三种不同抗震设防RC空间框架结构模型进行连续性倒塌非线性仿真分析,得出随抗震设防烈度提高,框架结构抗连续性倒塌的空间刚度增大,倒塌模式从"缓变型"向"陡变型"转变;抗震设防烈度越高,结构竖向抗连续性倒塌能力越强;楼板膜效应延缓了梁悬链线阶段的出现,而框架梁对楼板膜应力机制和悬链面机制起到加强作用,楼板与框架梁协同工作在悬链线(面)阶段整体提高竖向抗连续性倒塌能力等研究结论。     

装配整体式混凝土框架子结构防连续#br# 倒塌空间受力性能试验研究

文章设计并制作3个2/3缩尺的梁柱节点构造形式为开槽水平搭接的装配整体式混凝土(PC)结构试件,对中柱进行了力-位移控制静力加载的试验。第1个为空间框架子结构,第2个为平面框架子结构,第3个为悬挑结构。根据试验的抗力、位移、应变、裂缝发展及破坏形态等结果对试件的受力变化及抗力机制进行分析。结果表明：压拱作用峰值点之前,空间框架子结构基本可以由平面框架子结构和悬挑结构来叠加等效。由于空间框架平面外横向梁的存在,使得空间框架子结构的压拱效应承载力相比于平面框架子结构的提高11.65%,这主要来源于平面外横向梁的梁机制提供的竖向承载力,但不影响空间框架和平面框架悬链线的开始位移。在悬链线阶段,空间框架子结构平面外横向梁的存在会使悬链线效应降低27.23%,且会使悬链线效应提前近一半的竖向位移结束。在空间框架子结构中发生连续倒塌时,柱头会发生平面外的偏转,会使压拱阶段的峰值相较于平面框架子结构和悬挑结构叠加之和降低4.77%,对悬链线阶段的峰值平面框架子结构和悬挑结构叠加之和降低39.04%。空间框架子结构和平面框架子结构的主要区别源于平面外横向框架梁的影响,会使得空间框架结构出现明显的扭转裂缝,且裂缝发展程度更集中和严重一些,这对结构受力是不利的。     

装配整体式混凝土框架子结构防连续倒塌空间受力性能试验研究

文章设计并制作3个2/3缩尺的梁柱节点构造形式为开槽水平搭接的装配整体式混凝土(PC)结构试件,对中柱进行了力-位移控制静力加载的试验。第1个为空间框架子结构,第2个为平面框架子结构,第3个为悬挑结构。根据试验的抗力、位移、应变、裂缝发展及破坏形态等结果对试件的受力变化及抗力机制进行分析。结果表明:压拱作用峰值点之前,空间框架子结构基本可以由平面框架子结构和悬挑结构来叠加等效。由于空间框架平面外横向梁的存在,使得空间框架子结构的压拱效应承载力相比于平面框架子结构的提高11.65%,这主要来源于平面外横向梁的梁机制提供的竖向承载力,但不影响空间框架和平面框架悬链线的开始位移。在悬链线阶段,空间框架子结构平面外横向梁的存在会使悬链线效应降低27.23%,且会使悬链线效应提前近一半的竖向位移结束。在空间框架子结构中发生连续倒塌时,柱头会发生平面外的偏转,会使压拱阶段的峰值相较于平面框架子结构和悬挑结构叠加之和降低4.77%,对悬链线阶段的峰值平面框架子结构和悬挑结构叠加之和降低39.04%。空间框架子结构和平面框架子结构的主要区别源于平面外横向框架梁的影响,会使得空间框架结构出现明显的扭转裂缝,且裂缝发展程度更集中和严重一些,这对结构受力是不利的。     

RC框架梁板柱空间协同抗倒塌机制非线性仿真分析

现浇楼板对RC框架结构的承载性能有影响,准确分析考虑楼板贡献的RC框架结构抗倒塌性能与机制很有必要。采用基于三维实体退化虚拟层合单元理论的非线性有限元分析程序VFEAP,先分别对水平荷载作用下2层RC框架抗侧试验模型和竖向荷载作用下2层RC框架底层中柱失效抗倒塌试验模型进行梁板柱空间协同非线性分析,仿真模拟结果与试验结果吻合良好,表明分析程序具有很好的适用性;据此,再对10层九宫格平面RC框架结构进行底层内柱失效情况下竖向连续性倒塌全过程仿真分析与研究,根据分析结果得出,失效柱贯通十字梁格区域,几乎全部楼板始终处于偏心受拉状态,明显呈现板膜偏拉受力机制;与失效柱相连的贯通梁因楼板参与受力未出现压拱和悬链线机制,始终以梁抗弯机制为主,局部区域处于偏心受拉状态,可为完善梁板柱协同抗倒塌机制研究提供参考。     

钢筋混凝土框架抗连续倒塌机制研究

通过非线性动力拆除构件法,对不同抗震设防水平下的典型钢筋混凝土(RC)非整体现浇楼板框架和整体现浇楼板框架的抗连续倒塌机制进行分析。首先,总结出了两种典型连续倒塌模式并进行了讨论,发现框架柱的抗侧刚度不足将导致连续倒塌在水平向的传播。然后,通过分析框架在不同部位发生初始破坏后的力学响应,研究了框架结构不同部位的框架梁抗连续倒塌贡献,结果显示所有的框架梁都可以通过梁机制发挥抗连续倒塌承载力,但是只有两端具有足够水平支座约束框架梁才能发挥其悬链线机制的承载力。最后,通过研究框架结构的连续倒塌规律,分析了楼板和抗震设防烈度对框架抗连续倒塌性能的影响。     

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。     

方钢管混凝土柱-组合梁框架抗连续倒塌性能试验研究

为了研究组合梁对方钢管混凝土柱-组合梁框架抗连续倒塌性能的影响,设计了带有混凝土现浇楼板方钢管混凝土柱-组合梁框架(CFSTCBF)及不带楼板的方钢管混凝土柱-钢梁框架(CFSTSBF),采用拆除构件法对两个试件的抗连续倒塌性能进行竖向加载试验研究,对其在中柱失效工况下的破坏模式、受力机理以及主要的抗力机制进行分析,同时对现浇混凝土楼板和节点在连续倒塌过程中的性能进行探讨。研究表明：两个试件的破坏均是由正弯矩区钢梁破坏引起,结构的倒塌阶段可分为弹塑性阶段、塑性阶段、过渡阶段和悬链线阶段,压拱机制和悬链线机制均能改善结构的抗倒塌性能;混凝土楼板可以有效增强结构的承载能力,提高结构的初始转动刚度,但在改善结构变形能力方面的作用较弱。     

Experimental and modeling study on the progressive collapse resistance of a reinforced concrete frame structure under a middle column removal scenario

A reinforced concrete (RC) frame structure is one of the widely used structural system. A localized damage caused by extreme events may lead to progressive collapse of entire structures. In this paper, progressive collapse test of three 1/3‐scaled reinforced concrete frame, including a single‐story without a slab, single‐story with a slab, and double‐story with slabs, are reported. Experimental results show that the progressive collapse process of RC frame consisted of five stages: an elastic stage, yield stage, beam mechanism stage, transient stage and catenary stage. The reinforced concrete slabs contribute to large progressive collapse resistance force compared with the specimen without slab. Furthermore, validation of the test results by using a refined solid finite element model was established. The effect of extensive parameters, including slab thickness, beam section height, seismic design intensity, and so forth, on the progressive collapse performance of RC frame structures was simulated as well. The simulation results indicated that the collapse resistance of RC structures was substantially improved with the increased of the slab thickness and seismic design intensity. Finally, a simplified model is proposed in accordance with experimental and numerical results to calculate the collapse resistance of RC frame structures.     

考虑压拱效应的钢筋混凝土双跨梁竖向承载力分析

钢筋混凝土框架结构在使用期内遭遇爆炸、撞击等突发事件时，可能引起结构承重柱失效，从而导致结构倒塌。当失效柱为内柱时，失效柱上方与其相连的两跨梁将形成双跨梁，双跨梁的承载能力决定剩余结构的抗倒塌能力。为分析双跨梁的受力特征和破坏机理，进行了3根1/4缩尺钢筋混凝土双跨梁的静力加载试验。结果表明：梁端存在轴向约束时，梁产生压拱效应，其竖向承载力得到提高；基于试验结果，根据双跨梁关键截面满足的内力平衡方程、考虑压拱效应时满足的变形协调方程，推导出梁的竖向荷载与中柱竖向位移之间的关系式；通过不断增大竖向位移，得到最大竖向荷载(对应的梁轴向力为压力)即为双跨梁考虑压拱效应的竖向承载力。理论分析结果和试验结果比较表明，所提计算方法有较高精度。     

Experimental investigation of asymmetrical reinforced concrete spatial frame substructures against progressive collapse under different column removal scenarios

The progressive collapse resistance design approach is generally applied in the context of a “column‐removal” scenario to assess the structural vulnerability to progressive collapse. To obtain a better understanding of the complex progressive collapse resistance of 3D asymmetrical column‐beam‐slab systems, five one‐third scale 2 × 2 bay asymmetrical reinforced concrete (RC) spatial frame substructure specimens were tested to analyze their collapse mechanisms under five different column removal scenarios, namely, an interior column removal scenario (INT), an exterior column removal scenario in the asymmetrical direction (EXT‐X), an exterior column removal scenario in the symmetrical direction (EXT‐Y), a corner column removal scenario at the long bay (COR‐L), and a corner column removal scenario at the short bay (COR‐S), which are among the most critical scenarios for analyzing structural resistance against progressive collapse. The test results showed that INT had the highest progressive collapse resistance capacity among the scenario substructures and exhibited two progressive collapse‐resisting mechanism stages: a primary mechanism stage (beam and compressive membrane mechanism) under small deformations and a secondary mechanism stage (catenary and tensile membrane mechanism) under large deformations in both the X‐direction and the Y‐direction. In EXT‐X and EXT‐Y, the collapse resistance was mainly provided by the double‐span beam at both the primary mechanism stage and the secondary mechanism stage. In COR‐L and COR‐S, the tensile membrane mechanism could not be mobilized, as the single‐span beams in both the X‐direction and the Y‐direction behaved like cantilevers. Additionally, the asymmetrical span design reduced the resistance of the structure against progressive collapse.     

楼板对RC框架结构抗连续倒塌性能的影响

楼板作为框架结构的重要组成构件,在结构抗连续倒塌中有重要作用。采用有限元ABAQUS非线性拟静力分析法,模拟两层2×1跨框架结构长边中柱失效以后结构连续倒塌的反应,对比分析考虑与不考虑楼板作用时,RC框架结构连续倒塌的情形,研究楼板对RC框架结构连续倒塌的影响。结果表明:楼板可以显著改善结构的刚度,提高结构的整体性,并延缓梁的铰链出现,提高结构的抗连续倒塌性能。     

RC框架结构连续倒塌影响因素与破坏机制的研究现状

鉴于近年来国内外连续倒塌事件时有发生,并带来大量的人员伤亡和巨大的经济损失,针对当前影响结构倒塌性能的主要因素及其倒塌破坏机制研究进展进行了综述。结果表明:楼板对结构抗连续倒塌的作用不可忽略;柱失效位置和柱距对结构抗连续倒塌性能具有重要影响;与不考虑节点影响时相比,考虑节点影响时结构的抗连续倒塌承载力降低;填充墙和抗震设计对结构抗连续倒塌能力有益;框架梁上先后作用梁机制（压拱机制）和悬链线机制,板上先后作用压膜机制和拉膜机制,但不同构件作用机制之间的耦合作用和度量指标等研究不足;今后的研究中要加强试验测试工作和倒塌影响的定量化研究,并体现到设计方法中,同时要加强偶然荷载的碰撞冲击对结构倒塌性能的影响研究。     

考虑全填充墙作用的钢筋混凝土框架抗连续倒塌性能分析

为探究钢筋混凝土(RC)全填充墙框架在边中柱失效情况下的抗连续倒塌性能及其承载力计算方法,基于已有试验和有限元程序OpenSees建立宏观有限元数值模型展开研究。数值模型中的梁柱采用基于力的纤维梁单元模拟,填充墙则转化为等效斜撑并用桁架单元进行表征。填充墙宏观模型涉及等效斜撑的宽度、数量和相应材料属性的确定,为此对比了不同等效斜撑模型的适用性,确定了一种连续倒塌工况下全填充墙的宏观模拟方案。进而利用验证的数值模型,揭示全填充墙框架防倒塌的荷载传递机制,并研究了层数和填充墙砌体抗压强度对抗倒塌性能的影响。结果表明：全填充墙框架荷载主要通过墙体对角传递且全填充墙会与周围框架形成一种桁架机制;随填充墙砌体抗压强度降低,结构抗力峰值呈下降趋势。最后,以填充墙和周边框架竖向承载刚度比为基本参数,建立了通过求得填充墙和框架刚度以及纯框架理论弯曲承载力,便可快速评估规则RC填充墙框架防倒塌能力的回归模型。