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。     

某预应力混凝土框架结构的连续倒塌有限元分析

为了分析某预应力混凝土框架结构抗连续倒塌性能,本文采用动力非线性分析方法应用显式动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA对一榀两层两跨的预应力混凝土框架厂房分别进行拆除底层角柱、底层中柱的连续倒塌数值仿真分析。通过数值分析分析得出:预应力混凝土结构的抗连续倒塌性能弱;对于预应力混凝土框架结构,拆除中柱的工况下比拆除角柱的工况下更容易发生连续倒塌;对于预应力混凝土框架结构抗连续倒塌性能的增强必须同时加强梁和柱的构造措施。     

多层钢框架连续倒塌性能的有限元分析

为了探究运用有限元方法分析计算多层钢框架连续倒塌性能的准确性和可靠性,为后续的倒塌分析工作奠定基础,以某2层钢框架-组合楼板体系抗倒塌试验为例,运用通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型。为准确模拟钢框架结构的结构构件组成、构件间的约束和受力情况、钢框架的初始破坏和倒塌破坏等过程,详细介绍相关的有限元建模技术、参数取值、材料失效准则等,并运用该方法进行有限元模型验证。结果表明：建立的有限元模型能够准确模拟结构的动力响应和构件的破坏模态,从而能够准确地分析计算多层框架的连续倒塌性能。     

钢筋混凝土框架抗连续倒塌机制研究

通过非线性动力拆除构件法,对不同抗震设防水平下的典型钢筋混凝土(RC)非整体现浇楼板框架和整体现浇楼板框架的抗连续倒塌机制进行分析。首先,总结出了两种典型连续倒塌模式并进行了讨论,发现框架柱的抗侧刚度不足将导致连续倒塌在水平向的传播。然后,通过分析框架在不同部位发生初始破坏后的力学响应,研究了框架结构不同部位的框架梁抗连续倒塌贡献,结果显示所有的框架梁都可以通过梁机制发挥抗连续倒塌承载力,但是只有两端具有足够水平支座约束框架梁才能发挥其悬链线机制的承载力。最后,通过研究框架结构的连续倒塌规律,分析了楼板和抗震设防烈度对框架抗连续倒塌性能的影响。     

考虑全填充墙作用的钢筋混凝土框架抗连续倒塌性能分析

为探究钢筋混凝土(RC)全填充墙框架在边中柱失效情况下的抗连续倒塌性能及其承载力计算方法,基于已有试验和有限元程序OpenSees建立宏观有限元数值模型展开研究。数值模型中的梁柱采用基于力的纤维梁单元模拟,填充墙则转化为等效斜撑并用桁架单元进行表征。填充墙宏观模型涉及等效斜撑的宽度、数量和相应材料属性的确定,为此对比了不同等效斜撑模型的适用性,确定了一种连续倒塌工况下全填充墙的宏观模拟方案。进而利用验证的数值模型,揭示全填充墙框架防倒塌的荷载传递机制,并研究了层数和填充墙砌体抗压强度对抗倒塌性能的影响。结果表明：全填充墙框架荷载主要通过墙体对角传递且全填充墙会与周围框架形成一种桁架机制;随填充墙砌体抗压强度降低,结构抗力峰值呈下降趋势。最后,以填充墙和周边框架竖向承载刚度比为基本参数,建立了通过求得填充墙和框架刚度以及纯框架理论弯曲承载力,便可快速评估规则RC填充墙框架防倒塌能力的回归模型。     

现浇与装配整体式混凝土空间框架子结构的抗连续倒塌性能试验对比研究

为研究装配整体式混凝土空间框架结构抗连续倒塌性能与现浇结构的异同，设计并制作了3个2/3缩尺、3梁4柱的混凝土空间框架子结构试件，对中柱进行了力-位移控制的静力加载试验。其中一个试件是现浇混凝土(RC)结构，另外2个试件是装配整体式混凝土(PC)结构，梁柱节点构造分别采用90°弯钩连接及锚固板焊接连接两种形式。根据抗力、位移、应变、裂缝发展及破坏形态等试验结果对试件的受力变化及抗力机制进行了分析。结果表明：PC试件梁端的裂缝发展更集中，而RC试件的梁端裂缝分布更均匀，这对结构受力更有利。RC试件的抗连续倒塌能力优于PC试件，在压拱阶段两者差别不大，但在悬链线阶段，RC试件的荷载最大值为167kN，分别为90°弯钩节点构造形式和锚固板焊接节点构造形式的PC试件的1.57倍和1.22倍，并且RC试件钢筋断裂更晚，具有更好的塑性发展空间。     

多层混凝土框架火灾连续倒塌数值分析

常规的结构抗火设计主要针对构件,但实际结构系统中的构件受力更为复杂。为分析整体结构在火灾下的破坏和倒塌,基于纤维梁模型和简化楼板建模方法,建立了一个8层混凝土框架整体结构数值模型。分析不同结构位置处3开间发生火灾时的整体结构力学响应。结果表明:框架柱在压弯组合作用下更易发生破坏。当结构短边受火作用时,由于结构内力重分布能力不足,柱破坏会触发结构连续倒塌。而其他结构部位受火时,周边结构能够有效分担受火区域的荷载,从而抵抗连续倒塌的发生。     

框架连续倒塌非线性有限元实用分析法

钢筋混凝土框架结构连续倒塌的分析涉及到砼开裂、混凝土和钢筋的材料非线性、结构的几何非线性等因素,目前通用的有限元分析软件尚不能对此进行有效的计算。本文考虑了材料非线性及P-△效应,采用塑性铰假设,设定了倒塌判定条件,用FORTRAN90编写静力非线性有限元分析程序,对钢筋混凝土框架结构进行了倒塌分析。     

基于GSA指南的RC框架抗连续倒塌的线性静力分析

结构连续倒塌分析是结构抗连续倒塌能力评定和抗连续倒塌设计的基础,已成为当前土木工程界国内外的热点研究领域。结构连续倒塌的分析方法有线性静力分析、非线性静力分析、线性动力分析和非线性动力分析4种。基于设计效率和实用性,本文采用GSA指南的静力线性分析方法,对按我国规范设计的5层钢筋混凝土结构进行连续倒塌分析,选取不同位置拆除承重构件并计算剩余结构破坏情况的性能指标DCR值,最后,根据DCR值考察其抗连续倒塌能力。     

基于GSA指南的RC框架抗连续倒塌的线性静力分析

结构连续倒塌分析是结构抗连续倒塌能力评定和抗连续倒塌设计的基础,已成为当前土木工程界国内外的热点研究领域.结构连续倒塌的分析方法有线性静力分析、非线性静力分析、线性动力分析和非线性动力分析4种.基于设计效率和实用性,本文采用GSA指南的静力线性分析方法,对按我国规范设计的5层钢筋混凝土结构进行连续倒塌分析,选取不同位置拆除承重构件并计算剩余结构破坏情况的性能指标DCR值,最后,根据DCR值考察其抗连续倒塌能力.     

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。     

钢筋混凝土框架抗连续倒塌的仿真分析

为研究钢筋混凝土框架结构的连续倒塌受力机理,在角柱失效倒塌试验基础上,运用ABAQUS有限元软件对钢筋混凝土框架进行了连续倒塌仿真分析。考虑到角柱失效倒塌过程中地梁和对角区域的构件几乎没有破坏,建模中只在角柱区域建立了钢筋混凝土板;同时考虑到位移加载方式简单而且模型更易收敛,故仿真倒塌全程采用位移控制。通过仿真得到了结构的荷载 位移曲线、框架的位移曲线、钢筋和混凝土应力曲线、破坏形态等,并与试验结果进行对比。结果表明:仿真结果和试验结果基本一致;角柱失效时,框架经历了弹性阶段、塑性铰形成阶段和失效阶段;该仿真能够较好地模拟框架模型连续倒塌的过程,并且能揭示倒塌破坏过程的受力特点。     

方钢管混凝土柱-组合梁框架抗连续倒塌性能试验研究

为了研究组合梁对方钢管混凝土柱-组合梁框架抗连续倒塌性能的影响,设计了带有混凝土现浇楼板方钢管混凝土柱-组合梁框架(CFSTCBF)及不带楼板的方钢管混凝土柱-钢梁框架(CFSTSBF),采用拆除构件法对两个试件的抗连续倒塌性能进行竖向加载试验研究,对其在中柱失效工况下的破坏模式、受力机理以及主要的抗力机制进行分析,同时对现浇混凝土楼板和节点在连续倒塌过程中的性能进行探讨。研究表明：两个试件的破坏均是由正弯矩区钢梁破坏引起,结构的倒塌阶段可分为弹塑性阶段、塑性阶段、过渡阶段和悬链线阶段,压拱机制和悬链线机制均能改善结构的抗倒塌性能;混凝土楼板可以有效增强结构的承载能力,提高结构的初始转动刚度,但在改善结构变形能力方面的作用较弱。     

楼板对结构抗连续倒塌能力的影响

建筑结构在意外事件情况时的连续倒塌问题,已成为国内外土木工程学科的研究热点。楼板作为主要的结构构件,对结构的整体性有重要贡献,对结构的抗连续倒塌能力产生较大影响,但现有建筑结构抗连续倒塌研究往往并没有考虑楼板的影响。本文参考美国国防部编制的DoD 2005《结构抗连续倒塌设计》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,通过比较带楼板和不带楼板的2栋框架结构倒塌仿真计算结果,研究了楼板对整体结构抗连续倒塌能力的影响,得到了楼板可对框架结构的抗连续倒塌能力有较大提高的结论。     

基于悬链线理论的框架抗连续倒塌分析

基于梁在悬索作用阶段的受力特点,推导了当支承柱突然破坏时,处于悬链线状态的梁的极限承载力公式,并进一步通过该公式导出了框架结构拆除系数(RF)的概念,用以定量判断构件在抗连续倒塌中的重要性程度。利用SAP2000通用有限元软件对一实际工程进行静力线性分析,分别模拟四种拆除工况,评估了结构的倒塌状况。结果表明,拆除系数算法的预测结果与一般工程经验一致,能够在一定程度上反映出构件的重要性指标。且计算简捷,便于应用。     

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。     

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%。     

子结构模型对钢管混凝土组合框架抗连续性倒塌能力的影响

为提高钢管混凝土结构抗连续倒塌分析效率,采用子结构的静力试验和有限元方法进行研究,但是子结构模型的选取对分析结果影响较大。为此,利用ABAQUS显式模块对不同子结构模型的钢管混凝土组合框架进行抗连续倒塌性能分析。在验证材料本构和建模方法合理的基础上,建立单柱双半跨、三柱双跨、四柱三跨和五柱四跨平面子结构模型,以分析不同子结构模型对钢管混凝土平面框架抗连续倒塌性能的影响;对比单柱四半跨、五柱四跨和2×2跨的钢管混凝土空间子结构模型的抗连续倒塌性能,并分析混凝土楼板和层数对其影响。结果表明：不同子结构模型的选取决定了不同的边界约束条件,进而对钢管混凝土组合框架抗连续倒塌性能影响较大;单柱双半跨平面子结构和单柱四半跨空间子结构的边界强约束使其前期荷载较大,但整体变形能力较差;由于失效柱相邻柱的约束增强,四柱三跨、五柱四跨平面子结构的极限弦转角和峰值荷载较三柱双跨子结构明显提高,其中有楼板平面子结构的提高更明显;由于角柱的约束和楼板整体性的提高,有楼板单层2×2跨空间子结构的极限弦转角和峰值荷载均高于五柱四跨空间子结构,但无楼板单层2×2跨和五柱四跨空间子结构相差不大;无论楼板存在与否,随着层数的增加,空间子结构模型的极限弦转角和峰值荷载均大幅提高。     

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。