基于能量方法的RC框架结构连续倒塌抗力需求分析II：悬链线机制

悬链线机制下的连续倒塌抗力需求计算是RC框架结构大变形阶段抗连续倒塌设计的关键。现有规范方法没有考虑非线性动力效应对该阶段抗力需求的影响,因而导致不安全的设计结果。根据RC框架结构基于能量平衡原理的抗连续倒塌抗力需求分析的理论框架,推导了RC框架结构在悬链线机制下抗连续倒塌子结构及其构件的非线性动力抗力需求与非线性静力抗力需求之间的关系,建立了RC框架结构悬链线机制下连续倒塌抗力需求计算的理论方法。通过数值算例验证了本文方法能够正确描述RC框架在悬链线机制下的连续倒塌抗力需求关系。     

楼板对RC空间框架结构抗连续倒塌性能影响试验研究

为研究楼板对RC空间框架结构抗连续倒塌性能的影响作用,文章以汶川地震中完全倒塌的漩口中学教学楼为原型结构,设计3个单层2×2跨1/3缩尺模型,包括2个带楼板子结构和1个纯框架子结构,通过拟静力加载试验研究RC框架结构在拆除中柱状态下的连续倒塌破坏过程。试验结果表明：纯框架子结构首先进入梁机制阶段,框架梁内产生轴向压力,产生“压拱效应”,在梁端部截面抗弯承载力丧失后,进入悬链线机制阶段,依靠梁内部钢筋拉结力抵抗上部荷载。对比分析带楼板子结构与纯框架子结构试验结果,由于楼板的“薄膜效应”使梁机制峰值承载力提高了145%,悬链线机制峰值承载力提高了75%,楼板显著提高了梁机制和悬链线机制的抗连续倒塌能力。增加板厚增加梁板的“压拱效应”,极大提高梁机制承载力,然而大变形下梁板开始不协同作用,板发生冲切破坏,降低了悬链线阶段承载力和延性。     

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。     

RC框架结构梁板柱空间协同抗连续性倒塌非线性有限元分析

采用三维实体退化虚拟层合单元非线性有限元分析法,考虑梁板柱空间协同效应,经对一单层2×2跨RC空间板柱结构中柱失效倒塌试验模拟分析并与试验结果对比之后,分别对三种不同抗震设防RC空间框架结构模型进行连续性倒塌非线性仿真分析,得出随抗震设防烈度提高,框架结构抗连续性倒塌的空间刚度增大,倒塌模式从"缓变型"向"陡变型"转变;抗震设防烈度越高,结构竖向抗连续性倒塌能力越强;楼板膜效应延缓了梁悬链线阶段的出现,而框架梁对楼板膜应力机制和悬链面机制起到加强作用,楼板与框架梁协同工作在悬链线(面)阶段整体提高竖向抗连续性倒塌能力等研究结论。     

平面钢框架结构抗倒塌动力试验研究

为研究钢框架结构在倒塌过程中的动态受力性能,采用气缸作为激发装置模拟框架柱瞬间失效的情况,对平面钢框架结构开展了抗倒塌动力试验研究。试验结果表明:框架柱失效后,框架梁在很短的时间内由弯曲为主的受力状态转变为受拉为主的悬链线受力状态,期间主要经历了弹性受力、塑性铰出现和悬链线破坏等过程。基于对试验过程的数值模拟以及DoD规范中的公式,分析了结构抗倒塌时的动力效应放大系数取值方法。分析结果表明:采用静力弹性法对钢框架结构进行连续倒塌分析时,荷载动力效应放大系数可取2;采用静力弹塑性分析时,需采用变化的荷载动力效应放大系数,其取值范围为1~2;DoD规范中的荷载动力效应放大系数公式可在一定程度上较为准确地反映钢结构的动力效应,但该公式无法反映结构进入强化阶段后荷载动力效应放大系数回升的情况。     

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。     

填充墙RC框架结构抗连续性倒塌研究

论文基于备用荷载路径原理,采用非线性静力和非线性动力分析方法,研究了填充墙的布置对框架结构连续性倒塌性能的影响.建立一个4层RC框架结构模型,分别对纯框架结构和考虑填充墙布置的框架结构进行了分析,移除首层框架中柱,分析剩余结构在移除柱后的动力响应.分析结构表明,填充墙不仅能承受一定的竖向荷载,还能增大剩余结构的延性和失效跨内荷载重分配的范围,减小失效点的竖向位移,从而提高了结构的抗连续性倒塌能力.填充墙的不均匀布置对结构抗连续性倒塌性能有明显的消弱作用,在进行结构抗连续性倒塌设计时,应特别注意填充墙的数量和布置方式,避免形成薄弱层.     

基于能量方法的RC框架结构连续倒塌抗力需求分析I：梁机制

结构抗连续倒塌设计方法的关键是确定因偶然作用导致局部构件失效后剩余结构的连续倒塌抗力需求。现有规范对连续倒塌抗力需求计算采用经验系数法,因缺乏理论基础,难以合理考虑结构连续倒塌过程中的非线性和动力效应的影响,其可靠性不足。基于能量方法,建立了RC框架结构连续倒塌抗力需求分析的理论框架,推导出RC框架结构梁机制下抗连续倒塌子结构及其构件的非线性动力抗力需求与线性静力抗力需求之间的关系,通过该关系对线性静力抗力需求的修正,能够综合考虑RC框架结构在梁机制下连续倒塌过程中的非线性和动力效应的影响。通过数值算例分析了现有规范中经验系数法的问题,验证了本文方法的正确性。     

填充墙RC框架结构抗连续性倒塌性能数值模拟研究

为研究填充墙钢筋混凝土（RC）框架的抗连续性倒塌性能,对其进行了数值模拟研究。基于LS-DYNA软件,建立了填充墙RC框架的连续性倒塌分析的精细化有限元模型。模型中采用连续面盖帽模型模拟砖砌体,采用接触算法模拟砂浆。通过对4榀1/4缩尺的RC框架（两榀纯框架和两榀带填充墙框架）的Pushdown试验结果进行模拟分析,验证了有限元模型的精度,并分析了填充墙厚度和砌体强度对RC框架抗连续性倒塌性能的影响。分析结果表明：在所有失柱工况中,失去中柱的填充墙RC框架抗连续性倒塌的峰值荷载最大,填充墙对失去中柱的RC框架的提高作用有限;在移除角柱工况下,填充墙RC框架的抗连续性倒塌峰值荷载最小,填充墙对失去角柱的RC框架的提高作用显著。填充墙厚度比砌体强度对RC框架抗连续性倒塌峰值荷载的提升作用影响更为显著。     

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。     

关键柱失效后组合框架抗倒塌试验研究及理论分析

通过一榀四跨单层钢-混凝土组合框架试验研究,分析中柱失效后结构体系的抗倒塌性能。试验结果表明：中柱失效后,组合框架的连续倒塌过程分为6个阶段,即弹性阶段、弹塑性阶段、压拱阶段、塑性阶段、过渡阶段及悬链线阶段,结构主要通过塑性铰机制和悬链线机制进行内力重分配;组合梁可以保证悬链线作用的形成,其特有的压拱效应可在一定程度上提高结构关键柱失效初期的承载能力;根据现行规范设计的组合框架在关键柱失效后仍具有较高的承载力,具有一定的抗倒塌能力。同时采用ABAQUS建立了试验试件的有限元分析模型,有限元分析结果和试验结果进行对比,验证了有限元分析结果的正确性。针对组合框架中的压拱效应进行分析,并结合试验现象提出一种新的“桁架弹簧”压拱模型,推导了竖向位移-荷载相关计算式及竖向位移-水平位移相关计算式,计算式计算结果与试验结果吻合良好。     

钢筋混凝土单向梁板子结构抗连续倒塌试验研究

梁和板组成的楼盖系统是框架结构的主要抗连续倒塌构件。为了分析各类结构参数对钢筋混凝土楼盖系统抗连续倒塌性能的影响,该文首先根据《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010设计制作了8个钢筋混凝土单向梁板子结构缩尺试件,这些试件具有不同的截面尺寸和配筋率。然后通过竖向加载试验研究这些试件在中柱破坏后的材料变形/损伤和抗连续倒塌承载力。试验结果表明：带楼板的子结构试件的承载能力明显高于相同截面的梁试件的承载能力;试件在梁机制阶段的承载能力主要由截面尺寸和钢筋面积所决定,而悬链线机制阶段的承载能力主要由截面中连续钢筋面积所决定;楼板的宽度、厚度和板内配筋以及梁高对梁机制下的承载力有较大的提高,其中板宽在大于一定值后影响变得不显著;只有楼板宽度和楼板配筋率对悬链线机制下的承载力有显著影响;梁内抗震配筋对缩尺试件在两个阶段的抗连续倒塌承载力影响都不大。     

悬链线效应下钢筋与混凝土黏结锚固性能试验研究

为研究悬链线效应下锚固钢筋与混凝土之间的黏结破坏,以及在RC框架结构连续性倒塌过程中钢筋拉断和黏结失效的先后顺序,分析锚固长度、钢筋布置方式对黏结锚固性能的影响。将钢筋锚固于钢筋混凝土柱中,通过自制的自平衡加载装置,实现对框架结构梁端破坏而钢筋未拉断时形成悬链线受力机制的钢筋进行加载。试验结果表明：锚固钢筋与混凝土之间发生劈裂破坏,而锚固钢筋并没有被拉断,所以在RC框架结构抗倒塌设计中不宜采用直锚的锚固形式,而应该采用其他有效的锚固形式。此外,单排钢筋布置有利于提高锚固钢筋与混凝土之间的平均黏结应力,较双排钢筋布置下的约提高15%。     

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。     

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.     

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。     

浅析钢筋混凝土框架梁的抗倒塌能力

基于钢筋混凝土连续梁板中的拱作用和索作用,说明钢筋混凝土框架梁有比按正常设计时更高的抗弯承载力和抗剪承载力,使得钢筋混凝土框架梁具有潜在的超载能力,从而形成新的有效的传力路径,实现钢筋混凝土框架梁抗倒塌的目的.