不同跨度比组合梁柱子结构抗倒塌性能试验研究

为研究不同跨度比对组合梁柱结构抗倒塌性能的影响,以栓焊连接节点组合梁柱子结构(两跨三柱型)为研究对象,以相邻跨度的比值（简称跨度比）为试验参数,对3个不同跨度比(1.4∶1、1.0∶1、0.6∶1)的子结构进行单调静力加载试验,考察了其在中柱失效后的抗倒塌性能。试验结果表明,3个试件的变形形态基本相似,试件在加载过程中表现出多次间断性破坏特征,当失效柱与梁端受拉翼缘连接处发生断裂后,对应梁端截面弯矩急剧下降导致其受弯性能大幅降低,该组合梁的悬链线机制抗力超过梁机制抗力贡献起到主要作用;而未发生破坏的梁,其受弯性能下降不明显,此时主要通过梁机制和悬链线机制共同抵抗外荷载,表现出双跨梁抗力机制的不同步性。试件在梁机制阶段,随着跨度比的减小,3个试件的塑性荷载依次提升,初始断裂位移随之减小,并且相比非等跨试件,等跨试件因双跨组合梁之间的协同作用可使结构在大变形阶段提供高于前期受弯阶段的抗力。引入抗力贡献系数,定量分析了3个试件双跨梁不同的抗力机制分别对总抗力的贡献占比。基于能量平衡原理获得了组合梁柱子结构在突加外荷载作用下的结构动力响应,可将最大动力荷载点作为组合梁柱子结构是否发生倒塌的依据。     

方钢管柱-H形梁栓焊混合连接节点抗连续性倒塌性能试验研究

以2个方钢管柱-H形梁内隔板式刚性连接节点试件为研究对象,采用双半跨单柱型梁柱子结构,通过静力加载试验研究梁柱节点在中柱失效的连续性倒塌条件下的力学性能。试件梁柱节点采用栓焊混合连接方式,2个试件的腹板分别采用不同的螺栓排列形式。结果表明,试件的破坏均出现在节点区,发生于梁弦转角达到0.06 rad之后。最不利梁截面破坏时,首先发生下翼缘断裂,采用螺栓单列布置的试件发生下排螺栓孔壁局部承压与冲剪顺序破坏,而采用螺栓双列布置的试件发生剪切板内列螺孔处净截面开裂。梁柱子结构在加载前期主要通过受弯机制提供竖向抗力,在加载后期逐渐转变为依靠悬索机制抵抗上部荷载,且悬索机制最终可提供的竖向抗力高于前期受弯机制提供的竖向抗力。与梁柱节点采用腹板螺栓中部集中布置形式相比,腹板螺栓沿梁高度分散布置更利于梁翼缘开裂后剩余截面发展轴向拉力,可提高悬索机制竖向抗力与节点鲁棒性。     

基于整体效能的不等跨钢框架抗倒塌冗余设计

双跨梁的变形协调设计可使不等跨结构的抗倒塌效能得到充分发挥,以顶底角钢腹板双角钢(TSDWA)连接的不等跨钢框架结构为例,对冗余设计的具体方法展开研究。通过对两个1/3缩尺的两跨TSDWA连接组合梁柱子结构进行拟静力试验研究,对比等跨试件与不等跨试件传力机理的差异,明确不等跨子结构承载力以及变形发展的控制参数。以此为基础,将设计需求转换为关键连接部件的性能设计,并给出具体设计方法。通过数值模型对冗余设计的作用机理进行验证,分析设计前后子结构受力行为的差异。结果表明：冗余设计对子结构的刚度与塑性承载力影响较小,主要提升了子结构的整体变形能力与大变形阶段的承载力,拓展了梁机制与悬索机制的发挥空间;经设计后模型双跨梁的变形协同系数均不低于0.9,明显高于原结构的;子结构达到双跨梁同时破坏的理想状态,可以使不等跨子结构的整体效能得以充分发挥。     

干式连接装配式混凝土框架抗连续倒塌静力试验研究

大变形下梁柱节点的力学行为是影响干式连接装配式混凝土框架结构抗连续倒塌性能的关键因素。对3个梁柱子结构试件进行了静力连续倒塌试验，包括1个螺栓连接试件、1个后张拉无黏结预应力连接试件和1个现浇对比试件。根据试验结果分析了节点和子结构在不同变形下的破坏模式和结构静力倒塌抗力，并采用能量原理分析了子结构的动力倒塌抗力。和现浇试件相比，螺栓连接试件的受拉区端板屈曲，使结构在压拱机制下的静力和动力倒塌抗力分别降低41%和45%，而连接角钢和螺栓的断裂使悬链线机制下的静力和动力倒塌抗力分别降低27%和37%。对于预应力连接试件，由于受压区混凝土提前破坏使得压拱机制下的静力和动力倒塌抗力分别降低39%和45%。虽然悬链线机制下预应力筋使得结构静力倒塌抗力提高了52%，但由于压拱机制下累积耗能较低，动力倒塌抗力反而比现浇结构降低17%。     

圆钢管柱-H形梁外环板式节点抗连续性倒塌性能试验研究

以2个圆钢管柱-H形梁外环板式节点为研究对象,采用双半跨单柱型梁柱子结构,通过对中柱施加静力荷载的大挠度试验及有限元分析考察梁柱节点在中柱失效的连续性倒塌条件下的力学性能。结果显示,试件的破坏均位于环板外伸段与梁的连接截面,发生在梁弦转角大于0.08 rad之后。全焊连接试件截面呈现自下翼缘至上翼缘的连续性断裂现象,而栓焊连接试件截面断裂可限制在下翼缘并依靠腹板螺栓传力。梁柱子结构在加载前期主要通过抗弯机制提供竖向抗力,在加载后期逐渐转变为依靠悬索机制抵抗上部荷载。栓焊混合连接试件在截面断裂后可充分发展截面轴力,因此在加载后期可通过悬索机制提供更高的承载力,表现出较全焊连接试件更为富余的后期强度储备。     

机械套筒连接预制混凝土结构抗连续倒塌机理

为研究机械套筒连接预制混凝土(PC)结构的抗连续倒塌性能,对2个1/2缩尺PC子结构开展了试验研究,获得了PC子结构的破坏模式、竖向抗力-位移曲线、水平反力-位移曲线和梁挠度曲线。通过有限元软件LS-DYNA建立了精细化有限元模型,并开展了数值分析。结果表明:子结构破坏主要集中在梁端,其中靠近中柱的梁端破坏相较于靠近边柱的梁端破坏更为严重; 梁-柱节点区域未发生明显破坏,试件的最终失效由中柱两侧梁端纵筋断裂控制,采用机械套筒连接可以保证梁底部钢筋的连续性; 压拱阶段和悬索阶段子结构主要通过梁截面剪力和轴拉力传递荷载; 增大钢筋直径可以显著提高子结构的第一峰值承载力和极限承载力; 混凝土抗压强度对于机械套筒连接PC子结构的承载力影响不大,但提高混凝土强度会提高混凝土与钢筋间的黏结力,导致梁纵筋更早发生断裂。     

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%。     

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。     

中柱失效下预制装配式框架结构抗连续倒塌性能研究

为了研究中柱失效下预制装配式框架结构的抗连续倒塌性能,制作了5个两跨1/3缩尺梁-柱子结构模型,采用pushdown加载方式研究其在倒塌过程中的抗力机制与破坏模式。试验结果表明：采用顶底角钢连接、无黏结预应力拼接以及混合连接等三种连接方式对其抗连续倒塌性能及抗力机制影响很大;由于纵筋在梁柱节点区域不连续,无黏结预应力连接结构不能发展有效的弯曲机制,而在梁柱界面上安装顶底角钢时,则可以发展较好的弯曲机制;预制装配式结构的破坏模式和抗力机制与普通混凝土结构明显不同,预制装配式结构抗力从加载初期就主要由预应力钢筋发展悬链线作用提供。通过高精度有限元软件LS-DYNA进行精细化有限元建模,在验证数值模型的基础上开展参数分析。有限元分析结果表明：装配式结构中采用有黏结预应力筋可以增大结构在小变形阶段的承载能力,而在大变形阶段,有黏结预应力筋断裂更早,变形能力更弱,承载力也较低。     

连续性倒塌工况下钢管柱框架节点的破坏模式与鲁棒性

采用双半跨单柱型梁柱子结构,通过静力加载试验考察了圆钢管柱外环板节点与方钢管柱内隔板节点在中柱失效连续性倒塌工况下的破坏模式,并以梁柱子结构竖向抗力来评估梁柱节点的鲁棒性。试验参数包括连接方式、螺栓布置、梁端构造与跨高比。试验结果表明,在柱顶施加竖向位移的过程中,梁柱子结构的破坏均出现在梁柱节点部位,不同的连接构造呈现出不同的损伤演化机制。节点破坏模式可分为梁端连续性破坏、梁端间断性破坏与柱身破坏三类。当节点破坏发生在梁端,采用全焊连接的节点发生梁端连续性破坏,采用栓焊混合连接的节点发生梁端间断性破坏。柱身破坏模式的发生前提为下层内隔板与柱身脱离,与腹板连接方式无直接关系。在梁端间断性破坏或柱身破坏的演化过程中,节点在初始断裂后仍可保持有效的梁柱拉结作用,悬索机制得以开展并为梁柱子结构提供稳定的后期承载力,节点具有较好的鲁棒性。节点若发生梁端连续性破坏,梁端截面面积逐步减小导致梁柱拉结作用削弱,梁柱子结构无法有效开展悬索机制,节点鲁棒性能较差。     

部分约束下组合梁柱子结构抗连续倒塌机理

为研究部分约束钢框架组合梁柱子结构的抗连续倒塌机理,对其进行数值模拟研究。利用ABAQUS软件建立了1:3缩尺的部分边界约束组合梁柱子结构的精细化数值模型,模型计算结果与试验结果吻合较好,验证了有限元建模方法的正确性。在此基础上建立足尺模型,分析边界约束侧向刚度、边柱尺寸、边柱轴压比对部分边界约束下组合梁柱子结构的抗连续倒塌性能的影响。结果表明:当弹簧约束系数n<1时,边界约束侧向刚度对组合梁柱子结构的抗连续倒塌性能影响显著,增大侧向约束刚度可有效提高组合梁柱子结构的抗连续倒塌性能; 当弹簧约束系数n>1时,增大侧向约束刚度对组合子结构的抗连续倒塌性能影响较小; 边柱尺寸过大或过小均不利于组合梁柱子结构抗连续倒塌性能的发挥,当梁柱线刚度比处于0.6～1.1区间时,边柱尺寸越大,悬链线机制发挥越充分,组合梁柱子结构的抗连续倒塌性能越好; 边柱轴压比对不同机制抗力的占比影响不大,但会影响组合梁柱子结构的承载能力,当边柱轴压比取0.3时,组合梁柱子结构的抗连续倒塌性能发挥最佳。     

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。     

钢框架加强型梁柱节点子结构的抗冲击性能试验研究

设计了采用FEMA 350过焊孔构造的1个普通栓焊连接和2个加强型（盖板和翼缘加强型）栓焊连接的钢框架梁柱节点子结构试件,对试件进行落锤冲击来模拟结构的动态倒塌过程,考察栓焊节点加强方式对钢框架梁柱节点抗冲击性能的影响。通过试验获得节点试件的破坏形态及其冲击作用和位移时程曲线,分析试件冲击作用和位移时程响应规律以及子结构动态转角和耗能变化趋势。试验结果表明：节点试件的主要破坏形态是显著整体弯曲变形和钢梁上翼缘塑性铰截面附近处受压屈曲,采用FEMA 350标准过焊孔构造的节点试件具有良好的抗冲击转动能力,3个试件的极限转角均达到了FEMA 350规范抗震设计的转角限值（普通栓焊节点为θ=0.054 rad、加强型节点为 θ=0.070 rad）要求;改进后的盖板加强型和翼缘加强型节点试件的抗冲击能力均得到显著提高,优于普通栓焊节点。通过分析冲击过程中试件截面内力发展规律可知,由于节点过早破坏,限制了悬链线效应的形成,所有试件最终还处于塑性受弯向悬链线发展阶段。     

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。     

提升抗连续倒塌能力的钢框架梁柱刚性节点设计理念与方法

以方钢管柱隔板贯通式节点为研究对象，为提高其抗连续倒塌性能，提出了采用改进型全螺栓连接和加固型栓焊连接的钢框架梁柱刚性节点设计方法。通过试验及有限元模拟分析，考察不同连接构造的节点在中柱失效工况下的性能。结果表明：改进型全螺栓连接构造能够延缓下翼缘断裂，使节点子结构在更大的变形下保持传力截面的完整性，弯曲机制和悬索机制提供的抗力能同时发展至较大的值；加固型栓焊连接构造保证下翼缘连接板件在焊接连接失效后继续有效传力，且使螺栓孔壁局部承压塑性破坏优先发生，传力截面在更大的变形下能保持其完整性，梁端轴力可达到全截面轴拉屈服承载力，悬索机制提供的抗力可充分发展。因此，改进型全螺栓连接构造与加固型栓焊连接构造可提高结构的抗连续倒塌能力，验证了设计方法的可行性。     

Study on load resisting mechanism of corroded RC frame structures against progressive collapse

为研究钢筋锈蚀对钢筋混凝土(RC)框架结构连续倒塌抗力机制的影响，对3个1/2缩尺RC梁-柱子结构开展了拟静力Pushdown试验，其中1个未锈蚀RC梁-柱子结构作为对照，另2个RC梁-柱子结构在节点区采用电化学加速锈蚀方法模拟钢筋锈蚀。试验结果表明：钢筋锈蚀会影响RC梁-柱子结构的裂缝开展顺序及钢筋断裂位置，同时钢筋锈蚀会削弱压拱机制及悬链线机制对RC结构抗连续倒塌能力的提升作用。在边节点锈蚀率为28.6%和中节点锈蚀率为5.2%的情况下，RC梁-柱子结构的第一峰值荷载和极限荷载分别降低了31.2%和57.4%。基于试验结果，通过对比分析验证不同压拱机制理论计算模型及悬链线机制理论计算模型评估锈蚀RC梁-柱子结构连续倒塌抗力机制的有效性。通过对比分析发现：Lu等提出的模型用于评估锈蚀RC梁-柱子结构压拱机制下的第一峰值荷载的准确性高且离散性低；Yu等所提模型对锈蚀RC梁-柱子结构悬链线机制下极限荷载的评估结果较为准确，但偏于保守。     

锈蚀RC框架结构连续倒塌抗力机制研究

为研究钢筋锈蚀对钢筋混凝土(RC)框架结构连续倒塌抗力机制的影响,对3个1/2缩尺RC梁-柱子结构开展了拟静力Pushdown试验,其中1个未锈蚀RC梁-柱子结构作为对照,另2个RC梁-柱子结构在节点区采用电化学加速锈蚀方法模拟钢筋锈蚀。试验结果表明：钢筋锈蚀会影响RC梁-柱子结构的裂缝开展顺序及钢筋断裂位置,同时钢筋锈蚀会削弱压拱机制及悬链线机制对RC结构抗连续倒塌能力的提升作用。在边节点锈蚀率为28.6%和中节点锈蚀率为5.2%的情况下,RC梁-柱子结构的第一峰值荷载和极限荷载分别降低了31.2%和57.4%。基于试验结果,通过对比分析验证不同压拱机制理论计算模型及悬链线机制理论计算模型评估锈蚀RC梁-柱子结构连续倒塌抗力机制的有效性。通过对比分析发现：Lu等提出的模型用于评估锈蚀RC梁-柱子结构压拱机制下的第一峰值荷载的准确性高且离散性低;Yu等所提模型对锈蚀RC梁-柱子结构悬链线机制下极限荷载的评估结果较为准确,但偏于保守。     

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。