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。     

钢筋混凝土管柱-钢桁架竖向混合结构动力弹塑性分析

利用集中塑性铰有限元模型,对钢筋混凝土管柱-钢桁架竖向混合结构进行了动力弹塑性计算,分析了结构的破坏模式,依据基于结构内容物的抗震性能指标,评价了该结构的抗震性能.研究表明:结构破坏集中在柱根,内柱首先出现塑性铰,结构进入塑性后,角柱的塑性发展程度最深;内柱与角柱为结构薄弱环节;钢桁架屈服杆件主要分布在悬挑端和柱头区;7度设防时,结构满足基于内容物抗震设防的基本目标,且在达到基本目标时承受的地震作用加速度峰值约为340 gal.     

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。     

RC异形柱框架抗连续倒塌试验研究

按照我国现有抗震标准设计了一个1/3缩尺的两层3×2跨异形柱框架结构模型,并在替代柱的二层柱顶进行了竖向静力加载,以研究模型框架在失去底层角柱后,框架结构在倒塌破坏过程中的水平变形、传力方式及受力机理。研究结果表明:框架的倒塌破坏全过程可分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段和破坏阶段;在角柱失效后,由梁端塑性铰和板内负弯矩塑性铰线构成的梁板空间受力机制为抵抗框架倒塌破坏的主要体系。     

全填充墙钢管混凝土组合框架抗连续倒塌性能研究

现有建筑结构的抗连续倒塌设计主要以提高失效柱上部梁构件的梁机制和悬链线机制承载力作为主要的设防目标,忽略了既有非结构构件共同承担竖向构件失效后的抗倒塌能力贡献。为研究填充墙对钢管混凝土组合框架抗连续性倒塌性能的影响,该文对拆除中柱构件后的全填充墙钢管混凝土柱 压型钢板组合梁框架剩余结构进行单调竖向静力加载,获得试件竖向荷载 位移关系曲线、整体/局部破坏模式以及构件关键部位的应变变化曲线,并与钢管混凝土组合框架倒塌试验结果进行对比分析。研究结果表明：该类结构的荷载 位移关系曲线分为四个阶段,弹性阶段、弹塑性阶段、裂缝发展阶段和破坏阶段。填充墙作用可以提高钢管混凝土组合框架的抗倒塌承载力,但结构的延性有所降低。基于试验研究结果,利用ABAQUS/Implicit建立了全填充墙钢管混凝土组合框架抗倒塌精细化有限元模型,并验证了建模方法的合理性。在此基础上,分析了不同填充墙开洞率对钢管混凝土组合框架抗倒塌承载力和破坏模式的影响,发现不同开洞率对试件的初始刚度、峰值荷载和位移延性均有一定影响,研究结果以期为该类结构的抗倒塌设计提供一定的参考。     

汶川地震钢筋混凝土框架结构震害及对策

汶川大地震造成了部分钢筋混土框架结构的严重破坏和倒塌,震害包括结构的整体倒塌、部分倒塌、薄弱层倒塌、底层柱的柱顶和柱底的弯曲破坏、短柱的剪切破坏、框架梁端的弯曲破坏等等;此外原先抗震设计时不被注意的楼梯出现受拉破坏,有的甚至被拉断;填充墙是框架结构破坏严重的非结构构件。框架结构这些震害产生的原因多种多样,如实际地震影响烈度大大超过设计设防烈度、建筑的施工质量问题、设计不合理（刚度突变,强梁弱柱）,等等。在对倒塌破坏的框架的震害进行深入分析后,本文提出了解决框架结构抗倒塌的方法：加强柱的抗震设计、适当布置抗震墙、采用隔震或消能减震技术。楼梯设计时应考虑地震下楼梯受力情况,采用刚性连接时,要求计算出楼梯地震效应,并进行配筋;楼梯一端与结构采用滑动连接时,可消除楼梯地震作用下的内力,设计时可不考虑地震影响;加强结构填充墙抗震性能,确保罕遇地震下不致倒塌伤人。     

支撑对装配式钢框架抗连续倒塌性能影响

为研究不同支撑形式对装配式钢框架结构抗连续倒塌性能的影响,建立4种不同支撑形式的模型,利用SAP 2000有限元软件,以6层装配式钢框架结构为原型,并采用构件拆除法,在分别拆除长边中柱、短边中柱、角柱、内柱的4种工况下对模型进行动力非线性分析。分析结果表明:支撑所在跨的框架柱失效后,支撑对结构抗连续倒塌作用明显,隔跨柱失效后,支撑对剩余结构抗连续倒塌性能的影响很小。     

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。     

钢筋混凝土框架—核心筒结构模拟地震倒塌试验研究

钢筋混凝土框架-核心筒结构是高层建筑结构中常用的结构形式。如何有效地探寻此类结构体系在强震作用下的倒塌机理是目前高层及超高层结构抗震性能评估的核心问题之一。设计了1:15的框架-核心筒结构模拟地震振动台试验,该结构底层一个角柱由千斤顶代替,通过千斤顶卸载模拟结构角柱破坏在地震作用等偶然作用下的破坏;再输入31个地震工况直至结构倒塌破坏,模拟角柱失效后结构在地震中的破坏以及倒塌过程。试验分析表明,底层柱的失效加剧了地震作用破坏的集中效应,底层竖向构件严重破坏并最终导致结构倒塌。     

一级抗震预应力混凝土框架混合出铰机制下柱端弯矩增大系数研究

按GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求,对一级抗震预应力混凝土框架结构(简称"一级PC框架")进行"强柱弱梁"调整时,会出现中柱配筋面积过大及节点受剪承载力不足等问题。为降低中柱配筋,提出了一级PC框架结构"弱化中柱"、"强化边柱"的"强柱弱梁"调整方案,即通过弱化中柱配筋、强化边柱配筋,定义"强柱弱梁"框架为"罕遇地震作用下中柱和PC梁出现塑性铰,边柱除底层柱底外基本不出现塑性铰"的混合出铰有限延性框架。以4榀按抗震设防烈度8度(0. 2g)设计的不同跨数、层数的一级PC框架为研究对象,进行柱端弯矩增大系数研究。首先弱化中柱配筋,然后以控制边柱纵筋临界屈服为目标,对各个PC框架算例输入30条罕遇地震水准的地震波进行弹塑性时程分析,由梁实际配筋的正截面受弯承载力反算边柱所需的柱端弯矩增大系数,并经统计分析后提出具有明确概率意义的增大系数建议值。按照上述调整方案对算例进行再设计和弹塑性时程分析,结果表明,该调整方案能够避免结构在罕遇地震作用下出现整体和局部破坏,边柱除底层柱底外基本不出现塑性铰,上部楼层边柱总体安全储备较大,结构表现为以中柱和预应力梁出现塑性铰的混合耗能机制。     

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。     

五层足尺预应力压接装配框架结构顶层角柱失效试验研究

为研究预应力压接装配混凝土框架(PPEFF)结构的抗连续倒塌性能，根据国内外现行抗连续倒塌规程中的拆除构件法，设计并建造了一栋2×2跨带楼板的五层足尺PPEFF结构，进行了结构动力特性测试和顶层角柱失效下的抗连续倒塌试验。通过动力特性测试得到了结构的固有频率与阻尼特性，结构实测周期与采用梁柱节点刚接假定的分析结果吻合良好。提出了滑块与双微摩擦面构造及结构柱移除试验方法，能较好地模拟结构柱移除前结构的正常承载状态，操作简便快捷。基于上述方法，开展了移除角柱的抗连续倒塌试验，采用位移计和基于数字图像处理的非接触式位移测量设备，分别获得了顶层角柱失效后的动态响应，两者最大动态位移幅值和残余位移相差不超过3%,吻合良好。试验结果表明，顶层角柱失效后，试验结构在正常使用荷载作用下的抗连续倒塌机制以双向梁悬臂受弯作用为主，楼板作为受拉翼缘提高了梁的悬臂受弯作用，角柱所承担的竖向荷载在剩余结构内进行了重分布，梁内纵向钢筋、楼板钢筋和预应力筋均处于弹性状态，拆柱处悬臂结构最大瞬态转角仅为1/273,PPEFF在顶层角柱失效时具有优异的抗连续倒塌性能。     

混凝土板柱子结构抗连续倒塌试验研究

节点脆性冲剪破坏易导致板柱结构体系的连续倒塌。对1个横、纵向均为2跨的混凝土板柱子结构进行连续倒塌静力加载试验,试件制作时移除底部中柱以模拟初始失效,试验中首先对中柱柱头施加向下的集中力使其节点发生初始冲剪破坏,其后对楼板施加均布荷载直至发生后继连续倒塌破坏,分析了试件不同变形阶段的受力机理并对承载力进行了评估。结果表明：子结构的中柱节点冲剪破坏具有一定延性,但板内张拉力导致冲剪承载力比中国规范计算值低50%;初始加载时边中柱和角柱分别承担82%和18%的荷载,随着变形增大,边中柱节点逐步损伤,边中柱承担荷载下降、角柱承担荷载上升,结构倒塌时边中柱和角柱分别承担51%和49%的荷载;小变形下试件通过楼板面外受弯能力和面内受压薄膜效应承载,在中柱节点发生冲剪破坏的时刻,受压薄膜效应提供的承载力贡献为12%;大变形下试件通过节点区的残余受弯能力和面内受拉薄膜效应承载,当节点发生严重损伤后,荷载由板底整体钢筋的受拉薄膜效应承担。     

实腹式型钢混凝土异形柱边框架抗震性能试验研究

为研究实腹式型钢混凝土(SRC)异形柱边框架的抗震性能,对1榀两跨三层的框架模型进行低周反复荷加载试验。观察结构的受力过程及破坏形态,并分析结构的荷载-位移滞回曲线和骨架曲线、承载能力、层间位移角、延性、耗能及刚度退化等力学特性。结果表明:实腹式SRC异形柱边框架破坏时形成梁铰机制,符合"强柱弱梁"的要求;滞回曲线饱满,刚度退化小;破坏时,等效黏滞阻尼系数和位移延性系数分别大于0.24和5.3;弹塑性极限层间位移角大于抗震规范规定的限值,抗倒塌能力强。实腹式SRC异形柱边框架显示出良好的抗震性能,可以应用于高抗震设防烈度区的建筑以及高层建筑中。     

钢筋混凝土框架结构底部相邻两柱失效的抗连续倒塌性能研究

为研究钢筋混凝土结构在角柱和相邻边柱同时失效情况下的抗连续倒塌性能,采用12点等效均布荷载加载系统,对移除角柱和相邻边柱后的钢筋混凝土梁-板-柱子结构进行PUSHDOWN加载,并对钢筋混凝土子结构的破坏模式、承载能力、变形能力、钢筋局部应变、支座水平位移及边梁扭转变形进行分析。试验结果表明：角柱和相邻边柱同时失效的钢筋混凝土梁-板-柱子结构反应与悬挑板相近,梁与板无法形成有效的压拱机制、悬链线机制或薄膜机制来抵抗连续倒塌的发生。采用有限元软件DIANA建模对试验结果进行了数值模拟分析,证明了数值模型的合理性。采用塑性铰线法对试验屈服荷载和第一极限荷载进行分析,理论分析结果表明,与试验结果相比,塑性铰线法的分析结果偏于保守。     

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。     

基于构件性能评估的RC框架结构中震与小震设计对比研究

考虑不同的设防烈度、结构高度、场地土类别,建立了18组RC框架结构,分别按照小震、高规中震、广东高规中震3种方法进行设计,对比中震设计对框架结构梁、柱截面尺寸和纵筋、箍筋配筋量的影响。以第一竖向构件失效准则作为结构倒塌的判定依据,基于增量动力分析(IDA)方法对结构进行倒塌易损性分析。结果表明:1)中震设计与小震设计相比,梁、柱截面面积约增大20%,梁纵筋配筋量增大50%～160%,柱纵筋配筋量增大20%～100%,梁、柱箍筋几乎没有变化;2)采用3种设计方法的RC框架结构均满足"大震不倒"的设防要求;3)3层RC框架结构抗倒塌能力:广东高规中震设计高规中震设计小震设计,随着层数的增加和设防烈度的提高,结构的抗倒塌能力逐渐变为:小震设计广东高规中震设计高规中震设计。     

超越设防烈度强震作用下某超限复杂连体结构性能分析

我国发生的数次强震,实际震中烈度均有超过设防烈度的情况。某建筑为超高层复杂连体结构,位于广州市南沙区,设防烈度7度,根据现行规范设计完成后,采用基于性能的抗震设计方法对其进行8度强震分析,评估其抗倒塌性能。分析结果表明:15~34层每层有0.5%~3%的梁单元处于倒塌状态;21~22层有2%~3%的柱单元进入比较严重破坏;墙单元虽只进入轻中等破坏,然而抗剪性能下降明显,尤其是框支剪力墙;连体楼板需特别加强。因此,设计剪力墙时需更为注重提高其抗剪能力,另外按7度设防烈度设计的结构有一定安全储备,能够承受8度大震而不至结构整体倒塌。     

方钢管框架钢板剪力墙核心筒结构抗倒塌分析

为研究方钢管混凝土框架-钢板剪力墙核心筒结构的抗连续倒塌性能,建立一栋15层原型结构,在不同初始损伤模型下采用拆除构件法对结构进行非线性动力分析,得到失效节点竖向位移时程曲线以及失效柱范围内梁、柱内力变化情况。研究表明:底层内柱失效后节点竖向位移最大,底层筒体柱失效后节点竖向位移最小;底层柱失效后,内力重分布主要发生在失效柱相邻跨范围内,梁柱内力均增大,荷载传递遵循就近原则;结构在不同抽柱工况下均未发生倒塌,其中内柱属于最不利位置。     

T形截面钢骨混凝土异形柱框架抗震性能

参照国家抗震规范8度设防的标准,制作一榀/2比例的由钢筋混凝土梁和T形截面钢骨混凝土异形柱组成的单跨两层的框架模型。通过拟静力试验,研究了结构的破坏形态、刚度退化、延性与耗能等抗震性能。试验结果表明,T形截面钢骨异形柱框架结构抗震性能良好,柱中钢骨在结构抗震中发挥了明显的作用。试验研究和分析结果表明,钢骨异形柱框架结构的抗震性能可满足抗震设防的要求。