地震作用下钢筋混凝土框架结构连续倒塌极限状态可靠度分析

将结构连续倒塌的全概率方法应用于地震作用下的结构整体连续倒塌极限状态可靠度分析,采用构件可靠度方法对结构进行地震作用下最可能失效构件的识别,基于改进点估计法的随机Pushdown方法和随机竖向增量动力分析(竖向IDA)方法,进行完好和损伤结构的概率抗竖向连续倒塌能力分析及参数灵敏度分析。采用整体可靠度方法,分析了损伤结构的竖向连续倒塌条件失效概率。基于系统可靠度理论和全概率方法,分析了RC框架结构发生侧向增量倒塌以及构件地震损伤引起的结构竖向连续倒塌的联合失效概率。分析结果表明,按照我国现行规范设计的钢筋混凝土框架结构具有良好的抗连续倒塌能力。     

锈蚀RC框架结构抗地震倒塌能力研究

锈蚀引起钢筋截面面积缩小、力学性能劣化以及钢筋混凝土间粘结性能退化等,是导致结构抗震性能退化的最主要因素。基于增量动力分析(IDA)方法,通过对不同锈蚀程度的RC框架结构进行抗地震倒塌易损性分析,讨论了钢筋锈蚀程度对RC框架结构在大震、特大地震下的抗地震倒塌能力和抗地震倒塌安全储备能力的影响,并根据分析结果提出了相关建议。结果表明,钢筋锈蚀程度对其抗地震倒塌能力有重要影响,特别是在特大地震下,当钢筋锈蚀率大于10%时,其影响最为显著。     

基于不确定性的钢框架结构抗连续倒塌评估

为评估钢框架结构的抗连续倒塌性能,考虑了结构初始破坏位置和材料参数不确定性,建立了随机Pushdown非线性评估方法。选用重要性抽样、分层拉丁超立方抽样技术与MATLAB中MBC标准模型工具箱相结合,设计了100组评估样本模型。采用ABAQUS对其进行有限元分析,基于对数正态分布模式,得到了失效区域外荷载级数K与梁柱塑性转角θ的结构倒塌超越概率函数。采用美国规范DoD 2016和FEMA-356中以梁柱塑性转角θ对结构破坏程度的划分标准,分别提取结构的各个性能水平的超越概率,绘制结构的倒塌易损性曲线,建立了概率评估系统,为钢框架结构的抗连续倒塌失效概率评估提供参考依据。     

不同组合梁类型对钢管混凝土框架抗连续倒塌承载力影响分析

不同的组合梁构造形式对钢管混凝土框架的抗连续倒塌性能有着显著的影响。参考某实际工程选取一典型2层2跨平面框架,选取钢筋混凝土组合梁、预制空心带肋叠合组合梁以及压型钢板组合梁三种组合梁形式,通过采用Pushdown分析法研究不同类型组合梁对钢管混凝土框架结构抗连续倒塌性能的影响。基于有限元软件ABAQUS,采用精细单元法建立钢管混凝土平面框架进行数值分析,研究其倒塌全过程工作机理,计算荷载-位移曲线、钢梁截面内力。结果表明:三种组合梁框架结构的倒塌破坏都经历弹性阶段、弹塑性阶段、压拱阶段、塑性阶段、混合阶段及悬链线阶段;三种类型的组合梁对组合框架的初始刚度都有明显提高;三种类型组合梁都能延缓塑性铰发生破坏并且对框架结构倒塌过程中各阶段极限承载力都有大幅提升。     

考虑悬链线效应的钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌能力分析

为了研究悬链线效应对钢筋混凝土（RC）框架结构抗连续倒塌能力的影响,基于OpenSees建立可以考虑悬链线效应的RC框架宏模型,通过两个RC框架子结构在移除中柱后的竖向承载力试验结果对比,验证了所采用宏模型的合理性,并研究了悬链线效应对RC框架子结构抗连续倒塌能力的影响。分别采用备用荷载路径法中的非线性静力方法和非线性动力方法对1栋10层RC框架结构进行抗连续倒塌能力分析,研究悬链线效应对RC框架整体结构抗连续倒塌能力的影响。结果表明：不考虑悬链线效应的影响将低估RC框架结构的抗连续倒塌能力;在移除底层中柱情况下,不考虑悬链线效应分析得到的荷载放大系数最大值小于2.0,而考虑悬链线效应分析得到的荷载放大系数最大值则超过2.0。     

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。     

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。     

爆炸荷载下钢筋混凝土框架结构连续倒塌分析方法比较

运用显式动力有限元分析软件LS-DYNA建立了一个四层两跨钢筋混凝土框架结构的有限元模型,并对其施加爆炸荷载,在爆炸荷载仅引起结构关键柱失效的情况下,研究了不同比例距离爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动力响应及倒塌过程;同时采用美国国防部2009年出台的建筑物抗连续倒塌设计规范UFC 4-023-03中推荐使用的替代传力路径法对相同的四层钢筋混凝土框架结构进行了非线性动力连续倒塌分析。通过比较研究上述数值分析结果,揭示了UFC 4-023-03规范推荐使用的替代传力路径分析方法的不足,进而对考虑爆炸荷载作用的结构抗连续倒塌分析设计方法的改进提出了设想。研究结果表明:通过引入爆炸荷载放大系数来考虑爆炸荷载作用的影响具有更广的适用范围。     

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。     

RC空间框架填充墙结构的抗连续倒塌能力分析与鲁棒性评定

采用PDA(Pushdown Analysis)和竖向IDA(Increased Dynamic Analysis)方法,对RC空间框架填充墙结构进行竖向连续倒塌的确定性分析和鲁棒性评定。Pushdown分析得出的结果比竖向IDA分析得出的结果大很多,说明对于填充墙结构,静力Pushdown分析过于保守。对RC空间框架填充墙结构的鲁棒性进行了定量分析,发现填充墙对RC空间框架结构的抗竖向连续倒塌能力起到积极的作用,可从一定程度上提高结构的鲁棒性。     

后浇整体式预制混凝土梁-板子结构抗连续倒塌机理研究

为研究后浇整体式预制混凝土(PC)结构的抗连续倒塌性能,设计并制作了两个2跨1/3缩尺后浇整体式PC梁-板子结构模型。试验中采用堆加均布荷载与Pushdown结合的加载方式研究其在边柱失效下的抗力曲线与破坏模式。试验结果表明：后浇整体式PC结构中预制板的整体性较好,开裂主要集中在预制板与梁交界处;在加载过程中PC子结构可有效发展二级抗力机制提供附加抗力;预制板沿短跨布置的子结构抗倒塌性能优于沿长跨布置子结构。随后通过有限元软件LSDYNA进行精细化有限元建模,研究PC子结构去柱后荷载重分配机理和新旧混凝土界面黏结强度对其抗倒塌性能的影响规律。有限元分析表明：预制板结合后浇叠合层可以保证楼板体系的整体性从而提升荷载重分布能力,塑性铰出现在梁端而不是柱端;沿短跨布置预制板与后浇叠合层在加载过程中的平均抗力贡献占比高达54%;新旧混凝土界面黏结强度对结构整体性有一定影响;但是当界面黏结强度降低不超过50%时,对结构的抗力影响不大。     

考虑结构不确定性的地震倒塌易损性分析

传统的地震倒塌易损性分析中通常只考虑地震动不确定性的影响。在结构临近倒塌时,通常处于高度非线性状态,会出现结构不确定性与地震动不确定性的耦合放大现象。针对这一问题,将平均值一次二阶矩方法（MVFOSM）与逐步增量动力分析（IDA）相结合,提出了一种可以考虑结构不确定性的基于MVFOSM的随机IDA方法。以五层三跨钢筋混凝土框架结构为例,采用基于MVFOSM的随机IDA方法对其进行了地震倒塌易损性分析,并利用“龙卷风图”方法对结构抗地震倒塌能力的灵敏度进行了分析。研究表明：结构不确定性的存在使得结构抗地震倒塌能力的对数标准差增加了70%,因此有必要在地震倒塌易损性分析中考虑结构不确定性的影响。     

螺栓连接预制混凝土梁-板子结构抗连续倒塌机理研究

为研究螺栓连接预制混凝土(PC) 结构的抗连续倒塌性能,制作一个两跨1/3缩尺的螺栓连接PC梁-板子结构试件,采用堆加均布荷载与Pushdown相结合的加载方式研究其在受力过程中的开裂模式和抗力曲线。结果表明：螺栓连接PC框架具有较好的变形能力;在加载初期试件抗力主要由梁和板的抗弯机制提供;与RC结构不同的是压拱机制作用对PC梁抗倒塌贡献较少。由于梁柱节点部位螺栓附近混凝土容易发生撕裂破坏导致预制梁提早退出工作,但板中钢筋网在大变形阶段可以发展拉膜机制使得子结构可以继续承受荷载,不至于发生倒塌破坏。通过有限元软件LSDYNA建模,进一步分析了螺栓连接PC结构的预制梁与板(预制板和后浇叠合层)对结构抗力的贡献。有限元分析表明,预制板及后浇叠合层在加载初期的抗力贡献高达87%,在大变形阶段由于叠合层钢筋网发展拉膜机制,其抗力贡献也高达72%。     

基于易损性的RC空间框架填充墙结构连续倒塌能力分析

为研究填充墙对RC空间框架抗竖向连续倒塌能力的影响,对一栋6层双跨RC框架结构采用OpenSees有限元软件进行了建模,利用集中塑性的beamWithHinges单元模拟填充墙的性能。考虑到结构的不确定性,在有限元模型的基础上采用改进的拉丁超立方体抽样法获得了性能不同的100个纯框架结构和100个框架填充墙结构,并采用PDA方法和竖向IDA方法对取得的样本进行了易损性分析和对比。分析结果表明：填充墙提高了框架结构的抗倒塌能力,发生连续倒塌概率相同的情况下,框架填充墙结构的承载能力要比纯框架结构的高10%~20%。此外,两种分析方法对纯框架结构的抗连续倒塌能力分析差别较小,而对于带填充墙的框架结构,PDA方法计算结果则偏于保守。     

国外RC框架抗连续倒塌设计方法的检验与分析

建筑结构在意外事件时的连续倒塌已成为严重威胁公共安全的重要问题。参考美国国防部编制的《结构抗连续倒塌设计》(DoD 2005)提供的设计流程,对按照我国现行规范设计的8层钢筋混凝土框架进行了连续倒塌仿真分析,研究了其抗连续倒塌能力。并应用拉结强度法和拆除构件法,对该框架进行了抗连续倒塌设计,建立了将国外规范中的抗连续倒塌设计方法应用于我国框架结构的设计实例,并指出了其中存在的一些问题。     

基于一致倒塌风险的建筑抗震评价方法研究

建筑结构的抗震能力、尤其是抗倒塌能力设计目标应根据其所在场地未来一定设计使用年限内可能遭遇的地震危险性来设定。首先介绍了基于动力增量分析（IDA）的结构倒塌易损性分析方法,随后结合地震危险性分析,分别给出了结构抗倒塌能力和结构所面临地震危险性的概率模型,进而根据结构在未来一定设计使用年限内的倒塌概率,对建筑结构的抗地震倒塌风险进行定量评价,并给出了相应的计算方法。以一座7度抗震设防的RC框架结构为例,计算了该RC框架结构在3个同为7度抗震设防而地震危险性不同地区的地震倒塌风险,指出仅以抗震设防烈度作为建筑结构抗震设计的依据所存在的不足,建议应基于一致倒塌风险进行结构抗震设计,并提出了相关结构抗震设计方法需开展的研究工作。     

Collapse analysis of steel moment frames with various seismic connections

Seismic connections with high ductile capacity are generally considered to be effective for resisting seismic loads. However, additional studies are still needed to evaluate the performance of seismic connections during progressive collapse. In this study the progressive collapse resisting capacity of the Reduced Beam Section (RBS), Welded Cover Plated Flange (WCPF), and Welded Unreinforced Flange-Welded Web (WUF-W) connections, which are seismic connections recommended by the FEMA/SAC project, was investigated. For progressive collapse analysis, two types of steel moment frame buildings were considered; one designed for high-seismic load and the other designed for moderate-seismic load. The vertical displacement at the point of column removal and the plastic hinge rotation at beam ends were checked by using an alternative load path method proposed in the guidelines. The analysis results showed that the performance of the Cover Plate connection turned out to be the most effective in resisting progressive collapse, especially in structures located in moderate-seismic regions.     

Sensitivity analysis of steel buildings subjected to column loss

In this study, the sensitivity of design parameters of steel buildings subjected to progressive collapse is studied. To this end, design parameters such as yield strengths of beams, columns, and braces, live load, elastic modulus, and damping ratio were considered as random variables. The Monte Carlo simulation, the Tornado Diagram analysis, and the First-Order Second Moment method were applied to deal with the uncertainties involved in the design parameters. The analysis results showed that among the design variables beam yield strength was ultimately the most important design parameter in the moment-resisting frame buildings while the column yield strength was the most important design parameter in the dual system building. Sensitivity of the vertical displacement to uncertain member strength showed that progressive collapse mechanisms of the moment-resisting frame buildings and the dual system building completely differed due to different patterns of the vertical load redistribution.     

Progressive collapse assessment of new hexagrid structural system for tall buildings

Hexagrid structure is an innovative tube‐type system. It is constructed with hexagonal exterior structural grids. The hexagrid works as an effective lateral and gravitational resisting system. This paper presents the progressive collapse‐resisting capacity of this new system and the common diagrid system based on the local failure of the structural elements in the story above the ground. The collapse behavior is evaluated by two different nonlinear static and dynamic analysis methods. This study was conducted to design two‐type 28‐story and 48‐story building models to withstand wind load for both structural systems. With the analytical results, the hexagrid has enough potential of force redistribution due to its special configuration. It is observed that the new system had high resistance to progressive collapse than diagrids in similar condition. The complementary studies illustrate that resisting progressive collapse capacity, in both hexagrid and diagrid structures, is increased by using the buckling‐restrained elements. The guidelines discussed here can help engineers to understand the mechanism of progressive collapse of the hexagrid structures. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.