混凝土梁柱子结构连续倒塌动力效应的试验研究

近年来,结构的抗连续倒塌问题在国内外引起了广泛关注。RC框架作为实际工程中最常见的结构形式被广泛研究。然而,已有RC框架梁柱子结构的连续倒塌性能相关研究多基于确定性分析且主要针对静力拆除构件工况。该文基于OpenSees分别建立了典型RC框架梁柱子结构的静力和动力连续倒塌分析有限元模型,通过试验对比验证了模型的准确性。在此基础上,考虑结构截面几何属性、材料特性等不确定性因素,基于拉丁超立方抽样生成不同模型并分析了结构不确定性对RC框架梁柱子结构静力和动力抗连续倒塌性能的影响。参数不确定性分析结果表明：悬链线机制对RC框架梁柱子结构的抗连续倒塌性能十分重要;而以梁端转角达到0.20 rad作为RC框架梁柱子结构动力失效指标在一定程度上偏于保守。参数敏感性分析结果表明：纵筋屈服强度、极限强度为影响RC框架梁柱子结构抗连续倒塌能力的主要因素。     

角柱失效下不等跨RC空间梁-柱子结构抗连续倒塌机理研究

本文通过角柱失效下钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)空间梁-柱子结构的Pushdown加载试验及其精细化有限元模型,对不等跨RC空间梁-柱子结构在角柱失效工况下的抗连续倒塌性能进行研究。基于所建立的有限元模型对不等跨RC空间梁-柱子结构的抗力机制等进行更深入的分析,探究了角柱上部水平约束、角柱节点配箍率和空间效应对不等跨RC空间梁-柱子结构抗连续倒塌性能的影响。研究结果表明,角柱失效工况下的不等跨RC空间梁-柱子结构不能有效发展悬链线机制而主要依靠梁机制抵抗倒塌,且空腹机制抗力的贡献不可忽略。角柱上部水平约束的增强,会提高第一峰值荷载,但是同时会导致角柱节点承受更高的剪应力从而提早发生剪切破坏。角柱节点配置一定量箍筋后会延迟和减轻角柱节点发生剪切破坏,从而提高结构的抗连续倒塌能力。对于角柱失效工况,空间效应不能通过简单叠加两个方向的平面框架抗力进行计算,因为空间效应三维剪应力作用会加速角柱节点发生剪切破坏。     

不对称跨度下钢框架梁柱子结构抗倒塌性能分析

将子结构引入结构抗倒塌分析是评估结构抗倒塌性能的一种快速有效方法。采用备用荷载路径法,选择钢框架梁柱子结构作为研究对象,建立了分析梁柱子结构抗倒塌能力的理论计算模型,研究了梁柱子结构由梁抗倒塌机制向悬链线抗倒塌机制转换的过程及机理。根据梁柱子结构内力变化将整个抗倒塌过程划分为4个阶段,推导了不对称跨度情形下梁柱子结构在不同阶段的承载力及挠度变形计算公式,分析了梁柱子结构由抗弯向拉弯转化并最终主要依靠拉力抵抗外载的全过程,并通过数值算例验证了理论计算公式,满足工程计算的精度要求。     

基于节点刚度的钢框架梁柱子结构抗倒塌性能试验研究

以钢框架中3种不同连接节点形式（栓焊连接、顶底角钢腹板双角钢连接和腹板双角钢连接）的两跨三柱型梁柱子结构为研究对象,通过对中柱施加静力荷载的大变形试验考察梁柱子结构在中柱失效连续倒塌条件下的破坏模式、力学形态和抗倒塌机理。结果表明：栓焊连接试件因梁柱节点处梁端受拉翼缘发生断裂而失效;顶底角钢腹板双角钢连接试件为梁柱相连的受拉角钢在螺栓孔处发生断裂,且因梁端腹板螺栓孔发生承压破坏而失效;腹板双角钢连接试件因腹板两侧角钢在螺栓孔处断裂而破坏。梁柱节点刚度对结构的抗倒塌性能影响较大,腹板双角钢连接试件主要通过悬链线机制提供抗力;而其他两类试件在加载前期主要通过梁机制提供抗力,进而转变由悬链线机制来抵抗外部荷载。其中,顶底角钢腹板双角钢连接试件在后期更能充分发展梁端节点转角和梁截面轴力,表现出更为富余的抗倒塌能力储备。     

主要设计参数对规则RC框架结构抗连续倒塌性能的影响

连续倒塌是指由意外事件造成工程结构的局部破坏并形成连锁反应,最终导致结构大范围破坏甚至整体倒塌,其中结构系统的冗余承载力对其抗连续倒塌性能具有显著影响。为满足工程快速评估的需要,分析、总结了主要设计参数对规则框架结构抗连续倒塌性能的影响规律。按照规范设计了18个典型钢筋混凝土(RC)规则框架,分别考虑了不同抗震设防烈度、结构总楼层数、结构跨度3个主要设计参数对结构冗余承载力的影响;采用纤维梁模型建立了所有典型框架的有限元模型,其中梁采用T形截面建模考虑有效翼缘宽度范围内楼板的贡献;采用非线性动力拆除构件法分析了框架在不同部位发生初始破坏时的连续倒塌响应,以及主要设计参数对结构连续倒塌影响的规律。     

带板钢筋混凝土框架连续倒塌理论分析

采用拆除构件法对一榀两层2×1跨带板钢筋混凝土框架结构进行拟静力倒塌试验,分析了框架结构底层边柱失效后,剩余结构竖向倒塌的变形破坏模式以及受力机制。试验结果表明：带板混凝土结构连续倒塌抗力先后由梁拱-板压膜机制、梁拱-板拉膜机制、梁悬索-板拉膜机制、板拉膜机制提供;结构变形先后经历外推、内收、倒塌三个阶段,结构最大抗力出现在框架柱内收-外推转换点（梁悬索-板拉膜机制）。框架梁破坏后,结构转化为板柱模型,现浇板仍能将抗力维持在较高水平。理论分析了结构竖向连续倒塌关键变形处的临界位移和抗力值,提出了结构极限承载力计算方法,并建议同时考虑极限承载力和梁端转角对混凝土结构进行倒塌判定。     

爆炸荷载作用下RC梁-板子结构抗连续倒塌动力效应研究EI北大核心CSCD

为研究爆炸荷载作用下建筑结构的抗连续倒塌性能。通过ANSYS/LS-DYNA有限元软件对爆炸荷载作用下钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁-板子结构的抗连续倒塌动力效应进行研究,并对混凝土强度、钢筋配筋率和跨高比等参数进行拓展分析。研究结果表明,通过瞬间去柱模拟爆炸去柱会造成结构残余承载力和结构局部损伤程度偏保守或者偏高的后果。混凝土强度对结构的动力效应影响显著,当混凝土强度大于C40时,结构的压膜及压拱机制已足够阻止连续倒塌的发生。配筋率的提高对压拱机制抗力影响不大,但能显著提高悬链线机制的抗力。跨高比对结构抗力机制的发展有着显著的影响,降低跨高比可以提高结构压拱和压膜机制抗力,但是对悬链线机制抗力影响不大。     

节点对RC框架结构抗连续倒塌能力影响研究

为了解节点对结构抗连续倒塌能力的影响,使用按照我国规范设计的RC框架结构对该问题进行了研究。对比了考虑节点影响和不考虑节点影响两种情况下的分析结果,发现节点对结构抗连续倒塌能力影响不能忽略,考虑节点影响后位移反应增大,结构抗连续倒塌的承载力会明显降低。该文同时对锚固在节点区的梁柱钢筋直径和强度、节点区剪切变形、节点区混凝土抗压强度等指标进行了参数分析,分析结果表明锚固在节点区的梁柱钢筋直径和强度对结构抗连续倒塌能力影响显著,而节点区剪切变形和混凝土抗压强度对结构抗倒塌能力基本无影响。此外,研究了考虑节点影响时结构构件的破坏模式,分析结果表明按我国规范设计的RC框架结构在连续倒塌过程中构件仍以弯曲破坏为主,并没有发现构件出现剪切破坏。研究结论为RC框架结构抗连续倒塌设计和加固提供了参考依据。     

钢筋混凝土框架抗连续倒塌的压拱机制分析模型

钢筋混凝土框架结构依靠梁板组成的楼盖系统来抵抗连续倒塌,其在小变形下的连续倒塌抗力由梁板内的压拱机制提供。现有压拱机制的宏观理论分析模型参数过多且不能考虑楼板的影响,因此难以在工程设计中进行应用。该文基于楼盖系统微观受力机理的分析,建立了压拱机制下梁板子结构系统的连续倒塌抗力分析模型。和现有模型相比,该文计算模型的参数大幅减少、公式显著简化,且能够考虑楼板和梁抵抗连续倒塌的共同作用。通过与国内外47个梁试件和6个梁板子结构试件的试验结果进行对比,发现该文计算模型在计算梁试件时计算精度和现有模型精度相同,而在计算梁板共同作用下的连续倒塌抗力时精度提高显著,能够为混凝土框架结构的抗连续倒塌工程设计提供参考。     

不等跨RC框架的抗连续倒塌理论分析及鲁棒性评判指标研究

现有钢筋混凝土(RC)框架抗连续倒塌的理论分析模型仅适用于等跨结构。通过理论推导将现有等跨结构的分析模型推广至不等跨结构,并提出了一个新的修正三折线模型,可以考虑不同工况下结构的抗弯、压拱、悬梁线和拉膜效应机制。利用所提理论分析模型建立了一个鲁棒性评判指标,用于危险工况的快速判断。数值与理论结果对比表明：所提出的修正三折线理论分析模型准确性高,能够为不等跨RC框架抗连续倒塌设计提供参考;所建立的鲁棒性评判指标可用于快速确定出RC框架的最危险柱子失效工况。     

混凝土梁柱子结构连续倒塌动力效应的试验研究

连续倒塌是结构系统的非线性动力行为,准确评估动力效应是建立简化工程设计方法的核心工作。为了研究钢筋混凝土梁柱子结构动力连续倒塌机理和动力效应,对4个尺寸和材料完全相同的试件分别开展了1次静力和4次动力试验。试验结果表明：动力连续倒塌的应力集中和非对称受力现象更加明显,且受材料应变率效应的影响,梁端受拉裂缝集中开展,受压区混凝土压碎剥落区域较小;考虑到动力损伤和材料应变率对结构自身抗力特征的影响,广义动力抗力能够更加准确地描述实际动力连续倒塌过程中的抗力需求;动力损伤和材料应变率效应使得结构的动力放大效应增强,实际动力放大系数均大于传统理论预测值。     

钢筋混凝土梁-板子结构抗连续性倒塌性能研究

该文通过试验与有限元模拟研究边柱失效工况下钢筋混凝土（RC）梁-板子结构抗连续倒塌性能。在实验室通过对RC梁-板子结构缩尺模型开展pushdown试验研究梁-板子结构的破坏模态,并进一步讨论了梁-板子结构在倒塌过程中的荷载传递机理和抗力机制。试验结果表明：RC梁-板子结构在倒数第二个边柱失效下可以形成有效的梁机制、压拱机制、悬链线机制以及拉膜机制抵抗倒塌。在小变形阶段,楼板在负弯矩区作为梁翼缘可以显著提升RC梁抗弯承载力（T型梁作用）;在大变形阶段,楼板发展拉膜作用早于梁发展悬链线机制。此外,根据有限元软件LSDYNA开展的数值分析结果表明：楼板提升RC框架屈服承载力与极限承载力分别高达65%和61%。     

考虑周边结构约束影响的RC框架结构防连续倒塌性能研究

为了考察周边结构约束对钢筋混凝土（RC）框架结构防连续倒塌承载能力的影响,该文通过Qian K等进行的中柱移除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,较好地模拟了中柱移除至子结构破坏的全过程。在成功进行模型校核的基础上,通过改变平面框架两侧边跨的约束情况,分析了两侧边跨约束对所研究子结构防连续倒塌承载力的影响;其次通过对比考虑楼板与不考虑楼板的单层空间结构的承载力,分析了楼板在结构防连续倒塌受力过程中对提高压拱阶段和悬链线阶段承载力的作用,讨论了楼板对连续倒塌各个受力阶段不同的影响;最后建立了多层空间框架结构模型,研究框架底层柱移除过程中结构的承载能力,分析发现楼层数的增加,成倍地提高框架结构承载力,并对连续倒塌各个受力阶段产生不同的影响。     

FRP布加固混凝土框架子结构抗连续倒塌的精细有限元分析EI北大核心CSCD

外贴FRP布加固是一种有效提高既有建筑抗连续倒塌性能的手段,但现有FRP布加固方式存在降低结构抗震性能、加固施工不便等缺点。该文采用数值模拟方法分析了FRP布加固方式对现浇和装配式混凝土框架子结构抗连续倒塌与抗震性能的影响,并开展了优化方案研究。基于通用有限元软件LS-DYNA建立了FRP布加固混凝土框架子结构的连续倒塌精细数值模型,其中混凝土、钢筋与FRP布分别采用实体、梁与壳单元进行模拟,考虑了FRP布和钢筋的滑移、新旧混凝土界面的粘结失效和机械套筒处的钢筋截面损失。试验验证表明该方法可准确模拟试验试件的破坏模式和承载力发展。分析试验试件的不同粘贴方案结果发现:对现浇混凝土子结构,梁底与梁侧中性轴粘贴纵向FRP布并在梁端塑性铰区粘贴U形横向FRP布后,小变形下的结构倒塌抗力提升有限(最大仅2.6%)、基本不影响结构抗震性能,而对大变形下的结构倒塌抗力提升幅度可达49.5%;对于装配式混凝土子结构,在梁底、梁顶与梁侧底部外贴纵向布并在梁端塑性铰区粘贴U形横向FRP布可将小变形和大变形下的结构抗力最大提升24.2%和48.1%,使得装配式子结构在小变形下受力等同现浇结构,提升了原装配式子结构的抗震性能。对上述最优方案进一步的分析表明:保持FRP布用量不变而将塑性铰区内U形横向FRP布的分布范围和条数增加可提高大变形下的结构倒塌抗力,而不影响小变形下的加固效果。     

大跨空间结构连续倒塌分析若干问题探讨

为了能利用变换荷载路径法(AP法)分析大跨空间结构抗连续性倒塌性能,在提出了一种AP法中移除构件确定方法的基础上,对连续性倒塌过程中失效构件的模拟方法进行了研究,提出了考虑初始状态的等效荷载瞬时卸载法,该方法可在一个计算过程中同时模拟构件失效前整体结构的初始状态和构件的后续突然失效过程。算例分析表明,该方法可以很好的考虑结构的初始状态及动力效应。然后针对网架结构体系,讨论了利用AP法中静力分析方法的荷载动力放大系数(DIF)。分析结果表明：该文算例空间网架结构的DIF均小于2.0,但是在长边中柱和角柱失效时,其值较为接近2.0。该文最后讨论了大跨空间结构连续倒塌的判断准则。     

基于抽柱法的无粘结预应力装配式框架结构连续倒塌分析

为研究无粘结预应力装配式框架结构的防连续倒塌性能,首先采用有限元软件OpenSees中的梁柱节点单元模拟无粘结预应力梁柱节点,并与试验结果进行对比,然后采用抽柱法对一栋6层无粘结预应力装配式框架结构和现浇框架结构进行连续倒塌分析,得到了抽柱后关键构件的内力时程曲线和失效点的竖向位移时程曲线,最后模拟了无粘结预应力装配式框架结构和现浇框架结构的连续倒塌过程。研究结果表明：在抽除中柱后,无粘结预应力装配式框架结构的倒塌荷载极限值比现浇框架结构高24.2%;在抽除边柱后,无粘结预应力装配式框架结构的倒塌荷载极限值比现浇框架结构则高35.7%。在柱截面尺寸和配筋相同、梁截面尺寸和受弯承载力相同的情况下,无粘结预应力装配式框架结构防连续倒塌性能优于现浇框架结构。     

基于非线性屈曲材料模型的张弦桁架连续倒塌分析

在拉索失效等工况下,张弦桁架连续倒塌时主要破坏形式为压杆的受压屈曲和拉杆的受拉屈服。为考虑受压杆件的屈曲效应,目前分析研究一般采用将每根杆件划分为多个单元并施加初始几何缺陷的方法,分析效率低、耗时长。针对这一问题,在梁柱单元修正混合强化本构模型的基础上,结合梁柱单元非线性屈曲材料模型,提出了张弦桁架连续倒塌快速分析方法,并通过算例验证了材料模型的正确性。利用ANSYS/LS-DYNA编制了所提出材料模型的子程序,基于增量动力分析法,开展了张弦桁架在拉索失效工况下的连续倒塌分析。在此基础上,对三种加强方式的结构进行增量动力分析,研究了加强部分重要杆件对张弦桁架在拉索失效工况下抗连续倒塌能力的影响。开展了张弦桁架连续倒塌易损性研究,综合评估了张弦桁架抗连续倒塌能力。结果表明:快速分析方法比传统分析方法缩短计算耗时39.89%;在加强了部分跨中上弦杆、跨中下弦杆后,张弦桁架的极限承载力最多提高16.67%,达到两种形态所对应的荷载值也均有所提高;基于快速分析方法可有效评估张弦桁架的综合抗连续倒塌能力。     

钢框架连续倒塌的模拟方法研究

对钢框架结构在进行连续倒塌分析时的计算模型进行了研究。以1个两层两跨平面钢框架为例,分别建立了传统的理想刚接杆系模型和实体模型,采用抽柱法对2种模型进行了动力非线性分析,比较分析结果得出传统的理想刚接杆系模型由于没能考虑节点的受力与塑性变形,不能准确地反映结构连续倒塌的动力效应,使得结构抗连续倒塌性能评估结果偏不安全。对引入节点机械模型的平面钢框架进行连续倒塌分析,其计算结果与实体模型的结果接近,可较准确地反映结构抗连续倒塌性能,且耗时远小于实体模型的计算时间。建议对框架结构进行连续倒塌分析时采用引入节点性能的杆系模型。     

RC空间框架结构竖向倒塌全过程试验研究与理论分析

采用抽柱法对一双层双向RC空间框架结构进行了拟静力倒塌试验,分别研究了框架结构底层边中柱失效后,剩余结构的竖向倒塌过程、倒塌机制和倒塌细节。试验结果表明：RC空间框架结构竖向倒塌分为外推阶段(拱作用阶段)、内收阶段(悬链线作用阶段)和倒塌阶段三个阶段;现浇楼板推迟甚至避免了梁铰出现,具体与现浇楼板对梁的约束大小有关;RC空间框架结构具有良好的抗连续倒塌性能,但应特别注意现浇楼板对结构抗连续倒塌性能的影响。在试验研究基础上,分析了RC空间框架结构竖向倒塌机制的转化过程,提出了最大侧向变形和临界塌落位移的计算模型和求解方法,建立了结构损伤指数模型。