钢筋混凝土框架结构连续倒塌的竖向非线性动力分析

结构的连续倒塌分析（PCA）是结构抗连续倒塌能力定量评定和抗连续倒塌设计的基础,已成为当前国内外土木工程界的热点研究领域。本文基于备用荷载路径原理,采用考虑构件失效时长的竖向非线性动力分析方法,对钢筋混凝土平面框架结构进行了竖向连续倒塌分析,根据损伤结构的反应判断剩余结构能否抵抗连续倒塌,分析中考虑了将同一轴线不同楼层的框架柱逐根移除和将同一轴线所有楼层的框架柱同时移除这两种情况对结构倒塌失效模式的影响,探讨了失效时长对结构动力响应的影响,发现构件失效时长对剩余结构的响应有重大影响。研究表明,竖向非线性动力分析方法是结构抗连续倒塌设计与抗连续倒塌能力分析的一种有效方法。     

大跨度钢结构抗连续倒塌动力分析关键问题研究

对大跨度钢结构抗连续倒塌动力分析中的关键问题进行研究,运用等效荷载瞬时卸载法对结构进行抗连续倒塌的动力分析,并借鉴美国规范对等效荷载提出取值方法建议。分析表明,应用等效荷载瞬时卸载法分析结构抗连续倒塌的精度主要取决于加载的时程曲线。根据动力学知识推导出求解结构关键构件失效前等效荷载最小作用时间的计算式,并与实际工程算例进行比较,其结果吻合较好。同时通过有限元数值分析,提出等效荷载卸载的最长时间为构件失效后模型的第1阶竖向自振周期的1/10。通过实际工程算例介绍抗连续倒塌动力分析的承载力和变形判定准则,分析在关键构件失效瞬间结构的应力比和变形能否满足设计要求。结果表明,应用等效荷载瞬时卸载法模拟大跨度钢结构关键构件失效后的受力和变形情况可行,与静力法相互补充可对大跨度钢结构进行抗连续倒塌分析。     

地震作用下钢框架结构竖向连续倒塌可靠度分析

通过建立典型钢框架的连续倒塌分析数值模型,使用拉丁超立方抽样方法抽取随机样本进行可靠度分析,考虑结构参数的不确定性影响,确定完好结构在地震作用下发生局部损坏的概率。以大震作用下可靠度指标最小的构件作为结构的失效构件,基于整体可靠度方法,采用拆除构件法对失效构件进行拆除并施加地震荷载进行分析,得到不同失效模式下受损结构发生连续倒塌条件可靠度指标和失效概率。最后结合失效构件的失效概率,研究结构在地震作用下的连续倒塌全概率可靠度。研究表明,运用可靠度理论对钢框架结构进行连续倒塌可靠度分析,可以直观地得到地震作用下钢框架结构发生连续倒塌的概率,为准确评价钢框架结构在地震作用下的抗连续倒塌能力提供依据。     

圆钢管混凝土柱-钢筋桁架组合梁节点抗连续倒塌机制及参数分析

为研究钢筋桁架组合梁对钢管混凝土结构抗连续倒塌性能的影响,采用ABAQUS建立圆钢管混凝土柱-钢筋桁架组合梁节点数值模型,分析中柱失效工况下该类节点的破坏机理和抗力计算曲线,以及钢筋桁架高度、混凝土强度、钢筋强度等主要参数对组合节点抗连续倒塌能力的影响。结果表明:相比钢管混凝土柱-RC组合梁节点,钢筋桁架组合梁节点的梁机制和悬链线机制峰值承载力分别提高了12.5%和10%; 因钢筋桁架在下弦钢筋屈服后上弦钢筋仍可以提供拉力,使得钢梁下翼缘断裂后承载力可以继续提高,表现出良好的抗连续倒塌能力; 钢筋桁架高度和钢筋桁架钢筋强度主要对节点梁机制峰值承载力与极限承载力提升较显著,对悬链线机制峰值承载力影响较小,楼板混凝土强度对节点各阶段的承载力影响较小,并且会降低节点延性; 综合对比分析不同参数下节点的抗力指标和位移延性指标发现,增加钢筋桁架高度和钢筋强度对节点的抗连续倒塌极限承载力具有有利影响,在工程设计和应用中应予以考虑。     

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。     

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%。     

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。     

ABAQUS在结构连续倒塌数值模拟中的应用

以某超限高层结构为例,基于ABAQUS/Explicit方法对结构在地震作用下连续倒塌的数值模拟方法进行了研究,开发了适用于模拟倒塌分析中纤维梁单元的混凝土和钢筋/钢材材料子程序。基于混凝土损伤模型实现模拟墙板壳单元的刚度退化,通过截面点"生死"模拟纤维梁单元失效,并同时考虑倒塌过程中单元的碰撞接触。通过不同幅值的强震记录对结构进行了连续倒塌模拟,从纤维梁单元应力-应变时程曲线、结构整体响应和倒塌过程等方面对结构倒塌性能进行了分析和评估,验证了模拟方法的合理性,为结构进一步的性能设计提供了依据,并为相关研究提供参考和思路。     

混凝土框架结构抗连续倒塌性能研究

混凝土框架结构在服役期间遭遇极端灾害作用时，会由于支撑构件失效而发生连续性倒塌。以某医院的门诊大楼为研究对象，采用ABAQUS,建立该混凝土框架结构的有限元模型，并开展其抗连续倒塌分析。通过对支撑柱失效时间、柱失效位置，以及倒塌过程中结构的位移响应和弯矩演变过程进行研究，发现底层中柱失效时，框架结构相邻两侧的梁可通过悬链线拉结作用抵抗结构倒塌。而结构顶层角柱失效时，由于周边约束较小，框架结构易发生连续倒塌。     

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。     

工程结构连续倒塌破坏及性能提升技术研究现状

工程结构局部破坏引起整体失效的连续倒塌会造成严重的社会危害,且连续倒塌问题的不确定性使得整个结构的临界状态异常复杂。已有众多学者对工程结构连续倒塌问题展开大量研究,笔者对国内外工程结构连续倒塌性能的试验研究、数值模拟和理论分析成果进行了总结,包括:归纳了不同结构形式如钢筋混凝土框架结构、板柱结构、组合结构和预制装配式结构的连续倒塌机理、影响因素、理论分析等方面的主要研究; 总结了梁柱和梁板结构受力全过程计算模型等倒塌抗力计算模型的理论研究现状,指出了目前计算模型的不足; 总结了采用加固方式提升抗连续倒塌性能的方法,并且从增强抗弯性能、压拱效应、悬链线效应、拉压膜效应以及改变受力体系方面分析不同加固方式对连续倒塌破坏机制的影响。在现有研究的基础上分析了目前研究的不足以及对后续研究方向进行了展望。     

湿式连接装配式混凝土框架抗连续倒塌静力试验研究

梁柱节点连接在大变形下的承载和变形能力对装配式混凝土框架结构抗连续倒塌性能具有显著影响。对4个不同湿式节点连接的装配式混凝土框架试件和1个现浇试件进行了静力连续倒塌试验,其中梁采用了机械套筒、弯起锚固和预应力连接,柱采用套筒灌浆和浆锚搭接连接。研究发现：采用机械套筒时梁钢筋在套筒处集中断裂,试件在压拱机制和悬链线机制下的倒塌抗力均显著降低;梁钢筋采用弯起锚固时,试件受力行为和倒塌抗力与现浇试件基本一致;预应力能够显著提升试件在两个机制下的倒塌抗力,但是在极限倒塌变形下预应力锚具传递较大的集中力,导致节点区混凝土的局部劈裂破坏;柱钢筋的套筒灌浆和浆锚搭接连接能够承受连续倒塌大变形下的水平剪力作用,但是柱接缝灌浆层在显著的水平剪力作用下发生滑移,减弱了柱对梁的约束;机制转换时,压拱机制轴压力对试件倒塌抗力产生负贡献;机械套筒和预应力连接试件的梁轴力对倒塌抗力贡献比例分别高于和低于现浇混凝土试件。     

装配式混凝土框架结构防连续倒塌研究中的几个问题

探讨了装配式混凝土框架结构防连续倒塌研究中几个值得关注的问题;强调了防连续倒塌子结构受力机制的复合与机制转移的全受力过程、楼板和空间受力对受力机制的影响;指出结构防连续倒塌设计相关的国内外规范在设计方法、界定倒塌范围、荷载组合、验收标准等方面均存在一定的差异。结果表明:装配式混凝土框架结构与现浇混凝土结构的以下差异值得注意,主要包括初始缺陷、节点/连接与结构体系的关联性、“等同现浇”的内涵与困惑、现有设计方法的适用性;装配式混凝土框架结构的防连续倒塌研究内容和重点应在整体稳固性分析与量化指标、节点和子结构试验、数值模拟与参数分析、设计方法等方面。这些问题的阐述可为装配式混凝土框架结构研究和设计提供一定参考。     

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。     

地震作用下钢框架结构抗竖向连续倒塌可靠度分析

为了对偶然荷载作用下结构的抗连续性倒塌进行可靠度研究,采用OpenSEES软件建立钢框架连续倒塌分析数值模型,考虑到钢框架结构材料和荷载的不确定性,使用拉丁超立方抽样方法生成钢框架结构随机样本,并采用随机Pushover算法对钢框架结构进行分析,计算得到X、Y两个方向不同地震水平下各钢柱承载能力及变形能力的可靠度指标,根据抗震可靠度相关理论确定目标可靠度指标,通过比较各柱的可靠度指标和目标可靠度,对结构在地震作用下最可能失效构件进行识别。基于所识别的最可能失效构件,结合所生成的100组钢框架结构随机样本,采用拆除构件法对钢框架结构在单柱失效和多柱失效等工况下进行抗连续倒塌IDA分析,得到随机IDA分析曲线。通过结构连续倒塌极限状态方程,计算得到损伤结构发生连续倒塌的概率及连续倒塌条件可靠度指标。采用基于风险的结构连续倒塌概率表达式,分析地震作用下钢框架结构发生局部破坏后的连续倒塌全概率可靠度,为准确评价钢框架结构在地震作用下的抗连续倒塌能力提供依据。     

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.     

建筑结构倒塌过程模拟与防倒塌设计

针对结构性能的数值模拟方法进行了综合分析,基于离散单元法提出了结构倒塌分析的理论模型。通过试验研究了混凝土块体间碰撞的力学行为,并结合扩展的数值分析建立了混凝土块体在不同碰撞形式下的计算模型。针对建筑物内的局部爆炸作用,在分析构件反应的基础上采用离散单元法对结构平面及空间倒塌过程进行了数值模拟。建立了适用于任意加载路径的材料弹簧力-位移本构关系,据此分析了地震作用下钢筋混凝土框架结构以及砌体结构空间倒塌过程。采用基于OpenGL的图形建模技术,实现了结构倒塌过程数值模拟结果的三维可视化。模拟结果与振动台模型试验结果及工程实测结果比较表明,所采用的离散单元法适合结构大变形阶段的分析。为提高计算效率和精度,有必要采用多尺度的模拟分析。另外,对不同荷载及作用下建筑结构抗倒塌设计方法进行了总结。并指出结构参数对抗连续倒塌性能的影响、结构倒塌机理、实用的防连续倒塌设计方法以及地震作用下结构防倒塌定量设计方法等方面尚待深入研究,以便建立相应的防倒塌设计规范。图15参21     

大跨度空间结构连续性倒塌研究方法与现状

大跨度空间结构的空间体量大、覆盖范围广,因而在遭遇非预期荷载作用并因局部失效诱致整体结构发生连续性倒塌时,会造成大量的人员伤亡和巨大的财产损失。国内外针对框架结构连续性倒塌事故的研究已比较成熟,形成了统一的设计指导思想和相应的设计规范,但针对大跨度空间结构连续倒塌的研究尚处于起步阶段。结合已有成果,对大跨度空间结构连续性倒塌研究所用的数值、试验和理论方法作出评述。数值模拟方面,分析了描述不连续位移场和冲击 碰撞等关键问题,并展望了多尺度数值计算方法在倒塌模拟上的应用;试验研究方面,借鉴已有试验,指出了大跨度空间结构倒塌试验中的破断触发和位移量测等关键技术;理论分析方面,总结了各类结构的抗倒塌机制、鲁棒性评价方法和简化评估方法。     

框架结构不同倒塌模式的数值模拟与分析

基于离散单元法和杆端多弹簧模型的思想,引入适用于任意加载路径的弹簧恢复力模型,考虑混凝土轴向弹簧与截面剪切弹簧的耦合效应,建立了合理的弹簧破坏准则,并对单元失效后的碰撞问题进行了有效的处理,在此基础上开发了能够模拟强震作用下钢筋混凝土框架结构倒塌全过程的计算机仿真程序CSPF 1.0。以汶川地震灾区一实际建筑为例,利用CSPF 1.0程序模拟了地震作用下该结构响应的全过程,得到了该结构可能产生的强梁弱柱型倒塌模式。另外在增大原结构的柱截面尺寸及配筋的基础上,程序进一步模拟了强柱弱梁型的倒塌模式。通过对仿真结果的论述和分析,说明了程序CSPF1.0的可靠性和离散单元法在钢筋混凝土框架结构倒塌分析中的可行性,并在一定程度上揭示了框架结构的破坏机理和倒塌机制。     

Ductility of Reinforced Concrete Flat Slab-Column Connections

Abstract:   The article presents experimental and analytical research on providing adequate ductility and rotational capacity to reinforced concrete slab-column connections. Post peak-load ductility of connections in reinforced concrete framed structures is essential for ensuring structural integrity and preventing local failure that may lead to progressive collapse of such systems. The importance of ductility for resistance against abnormal loading and the role of transverse reinforcement in providing ductility is discussed, and a new shear-strengthening technique, shear bolts, is presented. Shear bolts are a special type of reinforcement developed specially for retrofitting of existing, previously built, flat slabs. The results of an experimental work are presented which show how transverse reinforcement increases punching shear capacity and post-failure ductility of slab-column connections. The described work also applies a specially developed finite element formulation based on layered shell elements, to the analysis of continuous reinforced concrete slabs. The formulation is applicable for global structural analysis of slabs failing in flexure or punching modes. The finite element and experimental results are compared in the article.