基于实际火灾场景的钢框架结构倒塌机制分析

采用ABAQUS建立无楼板的多层钢框架模型,采用顺序热-固耦合法,综合考虑实际火灾场景下局部火源位置、火源功率变化、非均匀分布温度场及火灾作用下梁柱失效进行分析,研究了在梁柱的受火形式和失效柱位置两种因素影响下钢框架结构的初始破坏机理与倒塌机制。结果表明：钢框架结构的连续倒塌始于受火柱的屈曲失效,与之相连的梁由于失去竖向支撑挠度增大并产生拉力,使内力重分布柱产生侧移,进而在火灾的持续作用下结构位移不断发展,破坏向周围扩散,最终导致结构发生连续性倒塌;当底层失效柱为角柱和边柱时,结构发生倾覆式连续性倒塌;当底层失效柱主要分布在结构对称轴上时,结构发生下沉式连续性倒塌,该类型倒塌发生较为突然。     

钢框架结构动力连续倒塌分析

采用可考虑塑性分布的梁柱单元模拟材料非线性,并建立了考虑初始变形的动力连续倒塌分析模型。通过对钢框架结构进行详细的连续倒塌分析,研究了底层柱失效时间对结构响应的影响和竖向荷载传力路径以及梁的受力机理,并对框架破坏后的连续倒塌状况进行了评估。结果表明,失效时间小于自振周期时,失效时间的长短对框架的动力响应有显著影响;局部破坏导致上部结构形成新的竖向传力路径,上部不平衡的竖向荷载由失效柱相邻的柱承担;结构在局部承重柱失效后上部梁中弯矩内力发生重分布现象,失效柱上方的梁端弯矩作用方向发生改变,且弯矩值明显增大。文中按我国规范设计的框架结构在单根柱失效的情况下不会发生连续倒塌。     

考虑楼板效应的钢框架结构连续倒塌分析

基于抽柱法对GSA2003建议的角柱失效、边柱失效及内柱失效三种工况对一钢框架结构进行了连续倒塌模拟。通过对比不同失效时间这三种工况下剩余结构竖向位移时程曲线、静力及动力荷载作用下抗力提高系数曲线来探究楼板对结构抗连续倒塌能力的影响。以1/10剩余结构竖向自振周期T_2/10为失效时间,探究在抽柱后,楼板对剩余结构传力路径的影响作用。结果表明:失效时间越短,纯框架结构振动响应越明显,含楼板结构仅在角柱失效工况下失效时间对结构振动响应影响明显;以T_2/10可较好的反映构件失效后剩余结构动力响应,忽略楼板作用可能低估结构抗连续倒塌能力,边柱失效及内柱失效工况下楼板对结构抗连续倒塌能力改善较明显;通过抗力提高系数R可知,失效时间较长时,动力分析与静力分析结构比较接近,可采用静力分析代替动力分析;楼板加速结构新传力路径的形成,提高了结构整体稳定性,提高了结构的抗连续倒塌能力。     

基础隔震结构连续倒塌动力效应及其作用区域分析

为研究基础隔震结构初始局部破坏引起的动力效应和动力效应影响区域,本文采用瞬时卸栽法对基础隔震结构进行了动力连续倒塌分析。使用SeismoStruct软件建立有限元模型,以发生局部失效后的结构与原结构的梁端弯矩比、柱轴力比、梁内轴力及支座位移为指标,分析了动力效应作用区域。研究表明,角部构件失效后上部节点的竖向位移较大,更容易发生连续倒塌;局部构件失效后对剩余结构产生的影响以失效点为中心向四周递减,对相邻短跨方向构件的动力影响大于长跨方向构件;由于隔震支座失效使隔震层抗侧刚度减弱,所以相比底层柱失效,隔震支座失效会使隔震层产生较大的位移。     

钢管混凝土组合框架抗连续倒塌特征响应及参数分析

采用非线性纤维梁模型建立了关键构件失效后钢管混凝土组合框架抗连续倒塌有限元模型。基于ABAQUS软件提供的二次开发平台UMAT,开发了考虑包辛格效应的钢材和约束效应的核心混凝土材料单轴本构模型,并利用已有文献中的试验结果对上述本构模型进行了验证。在此基础上,进行了不同参数(失效柱位置、跨度、层数、层高及失效时间)下抗连续倒塌特征响应分析,研究不同参数下该类结构的位移变化和倒塌规律。研究结果表明,失效柱位置、跨度以及失效时长对竖向位移时程曲线影响较大;中柱(底层、中间层和顶层)失效后,竖向位移时程曲线为比较规则的振荡衰减曲线,在阻尼作用下按照两条渐近线的趋势逐渐趋于平缓,而角柱失效后计算所得竖向位移时程曲线相对中柱不规则。为了更好地提高钢管混凝土结构的抗倒塌能力,给出了概念性的倒塌设防建议,供工程实际参考。     

钢筋混凝土框架边柱突然失效模拟试验与分析研究

在偶然荷载作用下结构的失效机理是结构设计研究的重要内容。为研究框架结构在边柱突然失效瞬间结构的动力反应、内力重分布和破坏形态,湖南大学与美国南加州大学(USC)、美国加州大学戴维斯分校(UCDAVIS)、美国国家标准技术研究所(NIST)共同进行了1/2比例的3层3跨钢筋混凝土空间框架的倒塌试验。通过研究破坏瞬间结构的位移反应、加速度反应、钢筋应变和裂缝分布情况,揭示结构在竖向构件突然失效时结构的抗倒塌性能。研究结果表明按照抗震规范进行设计的框架结构在底层单个边柱突然失效时具有较好的抗连续倒塌性能,动力效应对结构的影响并不显著。并采用SAP2000有限元软件对结构在竖向构件突然失效时的位移反应、内力变化进行模拟分析,分析结果与试验结果吻和良好。     

钢筋混凝土抗震框架连续倒塌行为分析

以某抗震设防框架为研究对象,采用SAP2000有限元软件,依次拆除底层纵向边柱、横向边柱、角柱和内柱,研究抗震框架的倒塌破坏行为。以做功平衡原理建立了柱失效处梁配筋调整计算公式,并进行了配筋调整设计。结果表明:7度和8度抗震设防的框架结构仍会发生连续性倒塌,但是抗倒塌能力随着设防等级的提高而提高,抗震设计不能够完全替代抗倒塌设计;柱失效导致结构发生连续坍塌破坏的危险性由小到大依次为内柱、横向边柱、纵向边柱、角柱;梁铰机制在结构抗倒塌中的作用尤其重要,倒塌破坏时以梁的弯曲破坏为主,剪切破坏较少出现;线弹性静力分析计算的供需比最大值一般出现在失效柱上一层的相邻梁上,而非线性静力分析的最大破坏出现在与失效柱相连的梁上,但是二者对结构可能的失效位置判断基本一致。     

Geiger型索穹顶结构模型抗连续倒塌试验研究

索穹顶结构冗余度低,关键构件的破坏可能会引起结构连续倒塌。为了解索穹顶结构的抗倒塌性能,并找出影响该结构体系抗连续倒塌性能的关键构件,采用拆除构件法对跨度6 m的Geiger型索穹顶结构模型进行了抗连续倒塌试验研究。结果表明：单根构件破断后,除个别构件外,其他大多数构件的内力均减小;不同工况下,产生最大竖向位移的节点随破断构件的位置不同而不同,单根构件破断引起的结构最大竖向位移为跨度的1/14;影响索穹顶结构抗连续倒塌性能的关键构件是环索及外斜索;对于同类型构件,构件失效位置对结构抗倒塌性能的影响由内向外依次增大;保证外圈环索不失效是索穹顶结构抗倒塌的关键。     

意外荷载作用下建筑结构抗连续性倒塌分析

本文对建筑结构连续倒塌的原因进行分析,探讨意外荷载作用下建筑结构连续性倒塌的分析方法,提出确定失效构件位置的原则,对竖向承重构件失效后荷载的施加范围做了调整。在此基础上,对6层的钢筋混凝土框架结构进行了连续性倒塌分析。分析结果表明,按我国现行规范设计的钢筋混凝土框架结构抗倒塌能力不足。底层内柱失效后,结构存在较大的连续...     

L形平面钢筋混凝土框架连续倒塌分析

为研究楼板对L形平面钢筋混凝土框架的影响,以某小学教学楼为背景,基于拆除构件法建立四种工况下的有限元模型,采用非线性动力分析方法,探讨四种工况下不加楼板与加楼板模型抗连续倒塌性能。结果表明:对于不加楼板模型,除底层内柱外,其余三种工况均会引起结构的连续倒塌且底层外角柱失效时更加显著;对于加楼板模型,只有底层外角柱失效才会造成结构的连续倒塌,需要重点加强。最后,通过分析子结构在梁机制和悬链线机制作用下的变形模式,提出以比较不平衡荷载做功与子结构耗能来评价结构是否发生倒塌的方法。     

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。     

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。     

地震作用下钢筋混凝土框架结构倒塌全过程振动台试验研究

以玉树7.1级地震中某底层遭到严重破坏的钢筋混凝土（RC）框架结构为原型,设计了1个1∶5缩尺的三维模型,通过模型的倒塌全过程振动台试验,研究了汶川、玉树地震中高烈度地区RC框架结构出现的典型侧向逐层呈多米诺骨牌式连续倒塌现象的全过程和倒塌破坏机制。试验中该模型结构的倒塌过程共分为两个阶段,即侧向增量倒塌和竖向连续倒塌。当底层层间位移角达到1/19时,试验模型处于临近倒塌状态。在倒塌过程中,底层角柱C3最先丧失竖向承载力,此时竖向倒塌开始发展,结构在重力荷载及输入地震动的共同作用下,底层柱的水平侧移持续增加,造成其相邻的柱B2、B3、C2相继失效,丧失竖向承载力,模型结构的冗余度不足使结构产生更大范围的竖向倒塌,最终模型结构呈侧向逐层连续倒塌。通过对倒塌后废墟的研究,发现模型结构呈“强梁弱柱”型破坏,其破坏模式与震害调查结果一致。最后,讨论了此种废墟下人员生存空间的问题,给出了防RC框架结构倒塌的相关建议。     

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。     

空间管桁架结构连续倒塌试验研究

为揭示空间管桁架结构的连续倒塌破坏机理,对空间管桁架结构平面体系进行了连续倒塌动力试验研究。试验设计了杆件失效激发装置,模拟了桁架杆件的初始破坏,通过对剩余结构杆件应变和节点位移的测量,以考察剩余结构的动力响应。试验结果与数值模拟分析结果的比较说明,基于OpenSees程序的连续倒塌数值模拟分析能够较好地模拟初始局部破坏后剩余结构的动力响应。试验结果表明,下弦杆初始破坏后,结构发生转动铰机制下内力重分布,易引起较大的竖向变形及杆件内力变化,对结构的抗连续倒塌性能产生不利影响;且桁架弦杆对接焊缝的质量显著影响了结构的抗连续倒塌能力。     

基于非线性动力分析的多层钢框架结构抗连续倒塌能力研究

目的:分析了多层钢框架结构的抗连续倒塌能力,为抗连续倒塌设计及研究提供参考。方法:采用非线性动力分析方法,对不同抗震设防烈度的钢框架结构的抗连续倒塌能力进行了分析和对比。结果:拆除柱后失效点竖向位移:角柱长边中柱内部柱。随着抗震设计的提高,拆除柱后失效点的竖向位移减小。结论:1)角柱失效对结构抗连续倒塌能力的影响最强,其次是长边中柱,而内部柱对其影响最弱。2)抗震设计增强了结构的侧向刚度,提高了结构抗连续倒塌能力。     

钢管混凝土柱-钢梁穿心螺栓外伸端板式节点抗连续倒塌性能研究

针对钢管混凝土柱-钢梁穿心螺栓外伸端板式节点进行抗连续倒塌单调加载试验,考察节点在连续倒塌工况下的整体变形、破坏形态、节点抗力以及关键截面应变发展等,并建立穿心螺栓外伸端板式节点有限元模型,进行节点失效模式、节点核心区应力及抗力机制分析。结果表明,钢管混凝土柱-钢梁穿心螺栓外伸端板式节点在连续倒塌工况下主要经历4个阶段,即梁机制阶段、混合机制阶段、悬链线机制阶段及破坏阶段;节点抗倒塌承载力由节点抗弯能力和抗拉能力提供,其中抗拉能力对节点抗连续倒塌能力贡献远超于抗弯能力;节点的倒塌破坏一般发生在钢梁与外伸端板连接处,裂缝贯穿下翼缘后迅速延伸至钢梁腹板;形心轴下方穿心螺栓群拉应力持续增大,形心轴上方穿心螺栓群在加载初期拉应力较小,随着竖向位移的增大其拉应力逐渐增大;外伸端板应力主要集中在螺栓孔周围,随着竖向位移增大形心轴上方应力集中区面积减小,形心轴下方应力增大。     

斜支撑对装配式钢框架抗连续倒塌性能的影响分析

装配式斜支撑节点钢框架是一种新型结构体系,该框架的桁架梁和斜支撑不同于传统框架。为研究斜支撑对于多层平面钢框架抗连续倒塌性能的影响,采用Pushdown方法和瞬时加载法,分别对无支撑框架和装配式斜支撑节点钢框架在边柱和中柱失效的情况下进行竖向推覆分析和动力非线性分析。分析结果表明:斜支撑改变了框架的传力路径,使桁架梁中部的耗能梁段成为主要受力构件,在达到极限荷载时,桁架梁中部的斜腹杆最先破坏,起到保护梁柱节点的作用;斜支撑可以较大幅度地提高结构的极限承载力和刚度;无论是底层边柱失效还是中柱失效,斜支撑均可以明显减小失效处节点位移,同时起到缓解振荡的作用。     

铁路站台单柱雨棚结构抗连续倒塌性能分析

采用非线性动力拆除构件法,对铁路站台有柱雨棚"Y"形钢筋混凝土典型单元进行了抗连续倒塌性能分析,研究了结构的连续倒塌抗力机制和失效模式;并对不同柱距、不同抗震设防烈度及不同楼板的雨棚结构进行了分析和对比。局部构件失效后,剩余结构抗倒塌机制主要为梁机制和悬链线机制;在边柱失效后,剩余结构承载机制仅有梁机制,结构抗连续倒塌性能较弱;在中柱和内柱失效的情况下,剩余结构具备梁机制和悬链线机制提供的抗倒塌承载力,结构抗连续倒塌性能较强;柱距增加,雨棚结构抗连续倒塌性能减弱;抗震设计对于结构梁机制相对承载力的提升较大,对悬链机制相对承载力的提升取决于梁内通长钢筋的增幅;整体现浇楼板对雨棚结构抗连续倒塌性能的增强效果显著,梁机制和悬链线机制的相对承载力均有较大提高。