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。     

爆炸下钢框架梁柱子结构抗倒塌性能评估

采用考虑子结构边界约束条件的数值分析模型,将钢梁在爆炸作用下的变形损伤引入子结构抗倒塌分析,建立了评估钢框架梁柱子结构爆炸后抗倒塌性能降低程度的压力-冲量曲线图及表达式,并分析梁端约束刚度及钢梁跨高比的影响。结果表明,抗倒塌阶段的前期出现压拱机制,随后经由梁机制过渡至悬链线机制,且抗倒塌性能降低程度与爆炸强度为非单调关系;除铰接约束外,水平约束刚度对子结构竖向承载力的发展过程影响不明显;随着钢梁跨高比的减小,产生相同降低指数所需的超压和冲量均增大,但当跨高比降至一定程度时,子结构趋于剪切变形模式,导致悬链线阶段的极限变形和最大竖向承载力均有所下降。     

子结构模型对钢管混凝土组合框架抗连续性倒塌能力的影响

为提高钢管混凝土结构抗连续倒塌分析效率,采用子结构的静力试验和有限元方法进行研究,但是子结构模型的选取对分析结果影响较大。为此,利用ABAQUS显式模块对不同子结构模型的钢管混凝土组合框架进行抗连续倒塌性能分析。在验证材料本构和建模方法合理的基础上,建立单柱双半跨、三柱双跨、四柱三跨和五柱四跨平面子结构模型,以分析不同子结构模型对钢管混凝土平面框架抗连续倒塌性能的影响;对比单柱四半跨、五柱四跨和2×2跨的钢管混凝土空间子结构模型的抗连续倒塌性能,并分析混凝土楼板和层数对其影响。结果表明：不同子结构模型的选取决定了不同的边界约束条件,进而对钢管混凝土组合框架抗连续倒塌性能影响较大;单柱双半跨平面子结构和单柱四半跨空间子结构的边界强约束使其前期荷载较大,但整体变形能力较差;由于失效柱相邻柱的约束增强,四柱三跨、五柱四跨平面子结构的极限弦转角和峰值荷载较三柱双跨子结构明显提高,其中有楼板平面子结构的提高更明显;由于角柱的约束和楼板整体性的提高,有楼板单层2×2跨空间子结构的极限弦转角和峰值荷载均高于五柱四跨空间子结构,但无楼板单层2×2跨和五柱四跨空间子结构相差不大;无论楼板存在与否,随着层数的增加,空间子结构模型的极限弦转角和峰值荷载均大幅提高。     

考虑梁柱节点转动刚度的钢框架抗连续倒塌性能研究

为研究梁柱节点转动刚度对结构抗连续倒塌性能的影响,建立平面钢框架模型,并在模型中加入转动弹簧以模拟节点转动刚度。分别对不考虑节点刚度退化的刚接和线性节点模型以及考虑节点刚度退化的非线性节点模型进行数值分析。结果表明:考虑节点刚度退化会使动力放大系数增大;结构在弹性状态下,动力放大系数维持在2.0左右,不考虑节点刚度退化模型可用于连续倒塌分析;结构在塑性状态下,动力放大系数随节点转动刚度与需求能力比(DCR)的增大而减小,不考虑节点刚度退化模型不宜用于连续倒塌分析;随着节点转动刚度的增大,节点耗能占结构总耗能比例减小,梁耗能比例增加。因此建议当节点转动刚度较小时增加节点的变形能力以提高结构的抗连续倒塌性能,反之增加梁的变形能力。     

钢板混凝土组合剪力墙轴压比影响研究

钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能与轴压比关系密切。采用Marc有限元软件对不同轴压比的钢板混凝土组合剪力墙进行了弹塑性分析,以考察轴压比对钢板混凝土组合剪力墙的抗侧刚度、滞回性能、耗能能力、变形能力以及承载力的影响,并对其分析模型进行了试验验证。研究结果表明：钢板混凝土组合剪力墙正截面承载力随轴压比变化,当轴压比为0.4时,承载力达到最大值;当轴压比在0.2～0.4范围时,钢板混凝土组合剪力墙变形能力最大,耗能能力最强;当轴压比超过0.6时,其变形能力下降,延性减小,耗能能力减弱;轴压比对钢板混凝土组合剪力墙的初始刚度有一定影响,伴随着往复加载,墙体抗侧刚度不断减小。研究中为了验证有限元分析结果的可靠性,进行了钢板混凝土组合剪力墙压弯受力缩尺模型试验。有限元数值模拟结果与缩尺模型试验结果比较接近,而按照JGJ 138-2012《组合结构设计规范》（报批稿）和纤维模型计算得到的钢板混凝土组合剪力墙正截面承载力偏于保守。为了保证钢板混凝土组合剪力墙良好的抗震性能,在实际工程中构件的轴压比设计值不宜过高。     

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。     

柱贯通梁柱节点非对称钢筋混凝土柱-钢梁框架结构抗连续倒塌性能研究

建筑结构竖向连续倒塌破坏大多数由侧中柱破坏引起,而侧中柱两侧结构的抗侧刚度不同,易导致结构沿侧中柱发生非对称破坏。已有文献中对非对称连续倒塌研究相对较少,鉴于此,以非对称双半跨单柱子结构为研究对象,设计了1种钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)结构全螺栓连接的柱贯通节点子结构,采用静力加载试验模拟结构在侧中柱失效工况下的非对称倒塌破坏全过程。以不等跨梁模拟两侧结构抗侧刚度差异,结合有限元分析考察子结构连续性倒塌的受力机理及破坏形态,并与传统对称双半跨子结构抗连续性倒塌性能进行对比。结果表明,柱贯通RCS结构全螺栓连接子结构在侧中柱失效的情况下,侧向刚度较小一侧的梁上翼缘先出现局部屈曲,梁端的转动能力小于中柱失效工况,且不能充分发挥结构的悬链线效应,抗连续倒塌能力也较中柱失效工况的低,但是试验和有限元分析得到的梁端极限转角均高于DoD规范中规定的转角允许限值,表明采用DoD规范评估柱贯通全螺栓连接RCS结构抗连续倒塌性能时偏于保守。     

装配整体式混凝土框架结构抗连续倒塌试验研究

节点连接的破坏和失效显著影响装配整体式混凝土框架结构在连续倒塌大变形下的抗力机理、破坏模式和变形能力。为研究装配整体式混凝土框架结构的抗连续倒塌性能,设计了3个1/3缩尺的两跨梁柱子结构试件,开展了拟均布加载下的静力连续倒塌试验和理论计算分析。包含1个现浇对比试件RC和2个采用不同梁柱纵筋连接方式的装配整体式试件PC,即梁钢筋通过机械套筒连接和锚固板锚固、柱钢筋通过半灌浆套筒连接的试件,梁钢筋通过90°弯折锚固、柱钢筋通过约束浆锚连接的试件。试验发现：由于后浇区混凝土强度的提高,装配整体式试件的压拱机制峰值荷载较现浇对比试件分别提高22.9%和20.2%;拟均布加载下,梁最终变形呈曲线,该变形模式下节点需要提供更高的转动能力才能保证梁整体变形满足T/CECS 392—2021《建筑结构抗倒塌设计标准》的挠度要求;在悬链线峰值荷载时相邻跨梁提供的水平约束能有效限制边柱的水平变形和装配式试件的坐浆层滑移。理论计算表明,装配整体式试件的压拱作用的倒塌抗力贡献率低于现浇对比试件,其原因是边柱坐浆层滑移削弱了梁端约束,进而降低了压拱机制承载力。采用能量原理评估了试件的动力倒塌抗力,由于压拱机制下的累积耗能能力较高,装配整体式试件的动力倒塌抗力分别比现浇试件提高了16.8%和18.8%。     

基于纤维模型的顶底角钢腹板双角钢连接组合梁柱子结构抗倒塌机理分析

为研究不等跨顶底角钢腹板双角钢连接组合梁柱子结构的抗倒塌机理,对一个缩尺比1/3的两跨三柱型梁柱子结构进行了单调静载试验。试验结果表明：压拱机制主要提高了组合梁负弯矩区的受弯承载力,通过增强梁机制可以提升子结构的倒塌抗力,角钢发生断裂后,楼板迅速连结剩余构件形成新的传力路径,悬索机制显著发挥;因短跨组合梁率先发生破坏,子结构效能发挥效率仅为83%。在考虑子结构各部件接触关系及损伤演化的基础上,通过组件法对梁柱连接部件进行合理简化;基于OpenSEES形成高效的数值方法,并基于纤维模型进行参数分析,明确高跨比对子结构抗力的影响。研究结果表明,当高跨比较小梁的高跨比大于1/14,高跨比较大梁退出工作后,剩余结构无法提供更高的抗力,角钢断裂时子结构达到峰值荷载;当梁的高跨比小于1/17,钢筋在小变形阶段进入受拉状态,受压区混凝土与钢筋的应力异向加速混凝土的强度退化,并削弱组合梁受弯承载力;高跨比较大梁主导梁机制的发展,其退出工作后梁机制开始下降;双跨梁的不对称轴力可使压拱机制提前退出工作,有利于悬索机制的形成。     

碱镁混凝土框架子结构抗连续倒塌性能的有限元分析

本文对碱镁混凝土(BMSCC)框架子结构抗连续倒塌性能进行了非线性拟静力有限元分析。在验证了 BMSCC框架子结构基准模型可靠性的基础上,研究混凝土强度等级、主筋配筋率以及跨高比对子结构抗连续倒塌性能的影响。研究发现,BMSCC框架子结构相对于普通混凝土框架子结构的压拱阶段(CAA)承载力有所提高;提高混凝土强度等级、提高主筋配筋率以及减小跨高比有利于BMSCC子结构CAA承载力的提高,也会提高子结构支座所受到的最大水平压、拉力;BMSCC与钢筋之间的高粘结力会大幅降低子结构的悬索阶段(TCA)承载力和极限位移,因此建议采用CAA承载力而不是TCA承载力作为BMSCC框架抗连续倒塌设计的控制参数。     

矩形钢管混凝土框架节点与其他节点的比较研究

通过3个全矩形钢管混凝土框架节点(外加强环)模型的拟静力试验,以轴压比和梁柱线刚度比为参数,研究了该类框架节点的滞回曲线、延性、强度与刚度退化、耗能能力、破坏机理及其破坏特征,考察了轴压比、梁柱线刚度比等参数对节点受力性能的影响规律。结论表明:全矩形钢管混凝土框架节点的滞回曲线饱满,耗能能力强;强度与刚度退化缓慢;在达到极限荷载后具有良好的延性和后期变形能力,满足延性节点的要求。经与钢筋混凝土框架、组合结构框架及钢框架节点抗震性能的比较可知,全钢管混凝土框架节点具有较好的受力性能和抗震能力,研究成果可用于指导钢管混凝土结构的工程实践。     

高轴压比下复式钢管混凝土柱 钢梁连接节点抗震性能试验

为了研究高轴压比下复式钢管混凝土柱 钢梁连接节点的抗震性能,按照现行规范设计了3个强柱弱梁型复式钢管混凝土外环板节点试件,进行了低周往复加载试验,研究其在高轴压比下的破坏形态、承载能力、变形能力以及耗能能力等。结果表明:增加水平环板的宽度可以有效提高节点的延性;锚固腹板加肋可以增加梁柱连接节点的初始刚度,增强节点的整体性,从而提高节点的承载能力和耗能能力;节点试件的破坏表现为钢梁翼缘首先发生屈服,随着水平荷载加大,试件同时出现梁端塑性铰和柱端塑性铰的破坏形态,锚固腹板加肋和水平环板加宽的试件在加载后期出现明显的柱端压弯破坏,各节点核心区应力较小,基本处于弹性阶段,因此高轴压比下复式钢管混凝土柱 钢梁连接节点可实现强节点要求,但不能满足“强柱弱梁”的抗震设防要求。     

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。     

高轴压比下内置钢板高强混凝土组合剪力墙#br# 抗震性能试验研究

内置钢板混凝土组合剪力墙主要应用于超高层建筑结构中,是主要的抗侧力构件,其底部剪力墙往往承担巨大的竖向荷载,轴压比和混凝土强度是影响其抗震性能的主要因素。为研究内置钢板高强混凝土组合剪力墙在高轴压比下的抗震性能,进行2个剪跨比为2.28的组合剪力墙试件拟静力试验,设计轴压比分别为0.6和0.8,C70混凝土。研究组合剪力墙在低周反复荷载作用下的受力性能和破坏模式,分析轴压比对抗震性能的影响。结果表明：2个试件最终均发生压弯破坏,破坏截面基本符合平截面假定,滞回曲线均较饱满,耗能性能良好,同时具有比较稳定的水平承载力;随着轴压比增大,组合剪力墙的水平承载力、初始刚度和耗能能力增大,侧向变形能力有所降低,但屈服位移角仍大于1/120,极限位移角为1/46。研究可为内置钢板高强混凝土组合剪力墙的工程应用提供理论参考。     

部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱轴压性能数值分析

为研究部分包覆钢-轻骨料混凝土组合(PELC)短柱的轴压性能,采用ABAQUS软件建立了轴压作用下部分包裹钢-轻骨料混凝土组合短柱的有限元模型。通过典型构件揭示了部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱在轴压荷载作用下的全过程受力机理与破坏模式; 分析了轻骨料混凝土强度、系杆间距、含钢率以及翼缘宽厚比等参数对部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱轴压性能的影响规律; 基于规范AISC 360并考虑轻骨料混凝土约束效应,提出了一种部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱轴压承载力的计算公式。结果表明:部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱在轴压荷载作用下的主要破坏模式为轻骨料混凝土压溃、H型钢正弦半波状鼓曲以及系杆屈服; 部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱的极限承载力将随着轻骨料混凝土强度与含钢率的增加而提高,延性将随着含钢率的增加而提高,随着系杆间距和轻骨料混凝土强度的增加而降低; 研究结果将为轻骨料混凝土组合柱在实际工程中的设计与应用提供理论依据。     

不同方式连接下钢柱-一体式预制混凝土墙组合构件抗震性能试验研究

钢框架与内部混凝土墙形成的组合构件具有优越的抗震性能。为进一步分析钢柱-一体式预制混凝土墙不同方式连接（梁柱刚接与柱边焊接、梁柱刚接与柱边不焊、梁柱铰接与柱边焊接、梁柱铰接与柱边不焊）时的抗震性能,分别对4个不同连接形式的钢柱-一体式预制混凝土墙的1/2缩尺模型进行了低周往复加载试验。得到了该类构件的滞回曲线及骨架曲线,并通过分析各构件的试验现象、承载力、刚度、耗能能力、延性及应变和变形,得出了不同连接形式对该类构件抗震性能及受力机理的影响。试验结果表明：钢柱 一体式预制混凝土墙体呈现三道防线特征,其中混凝土墙板为第一道防线,内斜撑为第二道防线,边框为第三道防线。柱边焊接对构件的承载力、刚度及边框与内墙组合作用的影响最为明显;内支撑对构件的刚度贡献最为显著且对边框与内部墙板组合作用的发挥具有关键作用。节点铰接且柱边不焊的构件位移延性系数可达2.83,可按1/20作为其弹塑性最大层间位移角限值,其他连接方式的构件位移延性系数在1.22～1.53之间,建议按1/100作为其弹塑性层间位移角限值。按位移控制进行设计的结构推荐采用节点铰接且柱边不焊的构件,而按承载力控制进行设计的结构推荐采用节点刚接且柱边焊接的构件。