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。     

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%。     

爆炸荷载作用下钢框架结构连续倒塌分析

传统数值方法模拟建筑结构在爆炸荷载作用下的结构响应和连续倒塌时,具有计算模型复杂、计算量大的特点,实际应用价值不大。基于将爆炸荷载作用下结构响应分析分两步进行的数值模拟方法,利用非线性显式动力分析软件AUTODYN的Remap技术模拟爆炸波在空气中的传播过程,利用压强测点记录结构构件表面的爆炸压强时程曲线;建立结构精细化有限元模型,并将上一步记录的爆炸压强时程曲线施加于结构构件,利用LS-DYNA显式求解器分析结构在爆炸荷载作用下的动态响应和倒塌过程。将该方法应用于某钢框架结构在爆炸荷载作用下的动态响应和连续倒塌分析。结果表明：钢框架结构具有较好的抗爆性能,在发生1000kg TNT当量及以下规模的室外爆炸时,主体结构能够保证安全;在发生1500kgTNT当量及以上大规模爆炸时,发生次梁塌落等局部破坏,亦可能发生结构连续倒塌。     

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。     

爆炸与地震作用对混凝土框架结构影响的比较

从爆炸荷载对钢筋混凝土结构作用的特点来分析爆炸荷载对结构的影响与地震作用对结构影响的区别,对抗震与抗连续倒塌的区别进行了分析与比较,结果表明：抗倒塌不同于抗震,结构抗震设计的有益作用并不能取代抗倒塌设计。     

地震作用下框架结构连续倒塌模拟比较研究

基于ABAQUS对采用不同钢筋和混凝土单轴本构模型的钢筋混凝土框架结构在大震作用下的连续倒塌数值模拟进行了比较研究。采用纤维梁单元模拟框架梁和柱,壳单元模拟钢筋混凝土楼板。分别编制了两种可用于模拟纤维梁单元失效的混凝土和钢筋单轴本构的用户子程序,考虑了钢筋混凝土楼板的刚度削弱、单元失效与接触。对某钢筋混凝土框架结构采用4组不同本构关系的计算结果进行了详细比较,结果表明不同材料模型得到的倒塌初始状态及初步发展趋势是一致的。     

框架结构连续倒塌研究现状

对目前结构连续倒塌分析与设计方法的研究现状进行了归纳和比较,指出了现有分析设计方法的不足,并对今后研究工作做了展望,从而为今后学者开展相关研究奠定基础。     

钢筋混凝土框架结构抗震与抗连续倒塌的比较

从钢筋混凝土结构受力机制和倒塌破坏准则两方面,对抗震与抗连续倒塌的区别进行了分析与比较,结果表明：抗倒塌不同于抗震,结构抗震设计的有益作用并不能取代抗倒塌设计。     

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。     

平面框架连续性倒塌的全过程模拟

基于杆端多弹簧的思想,运用离散单元法对钢筋混凝土框架结构搭建连续性倒塌分析模型,引入适用于任意加载路径的弹簧恢复力滞回模型,考虑了轴向弹簧与剪切弹簧的耦合效应,建立了合理的弹簧破坏准则,并对单元失效后的接触碰撞进行了有效的处理,在此基础上编制了平面框架结构连续性倒塌的计算机仿真程序。算例表明,本文开发的程序可以较为逼真地反映钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏全过程。     

装配式混凝土框架结构防连续倒塌研究中的几个问题

探讨了装配式混凝土框架结构防连续倒塌研究中几个值得关注的问题;强调了防连续倒塌子结构受力机制的复合与机制转移的全受力过程、楼板和空间受力对受力机制的影响;指出结构防连续倒塌设计相关的国内外规范在设计方法、界定倒塌范围、荷载组合、验收标准等方面均存在一定的差异。结果表明:装配式混凝土框架结构与现浇混凝土结构的以下差异值得注意,主要包括初始缺陷、节点/连接与结构体系的关联性、“等同现浇”的内涵与困惑、现有设计方法的适用性;装配式混凝土框架结构的防连续倒塌研究内容和重点应在整体稳固性分析与量化指标、节点和子结构试验、数值模拟与参数分析、设计方法等方面。这些问题的阐述可为装配式混凝土框架结构研究和设计提供一定参考。     

地下框架结构遭内爆炸冲击下的抗连续倒塌研究

在爆炸冲击荷载下,地下框架结构的动态响应是一个复杂的非线性过程。本文首先介绍了模拟连续倒塌的3种方法(即替代传力路径法、直接模拟法和三阶段模拟法)和本文所采用的数值模型;其次,本文运用LS-DYNA显式动力分析软件相关功能,建立钢筋混凝土的三维分离式模型(钢筋和混凝土的连接采用共节点方式),将本文采用的三阶段模拟法与直接模拟法、替代传力路径法对比分析,验证了本文方法的合理性及有效性;再次,具体阐述未做防护的地下结构在爆炸荷载作用下的倒塌机理,并为防护提供一定的理论指导;最后提出了两种防护措施(改变梁的箍筋间距),并对比两种防护措施的防护效果,通过对比可以为抗爆设计提供一定的设计依据。计算结果表明:在爆炸荷载下,未做防护的结构破坏十分严重,并最终连续倒塌,做防护的结构整体性完好,没有发生连续倒塌。     

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。     

多层框架结构在其地下室内部爆炸冲击下的连续倒塌机理研究

为了研究框架结构在地下室内部爆炸时的连续倒塌特性,运用有限元显式动力分析软件LS-DYNA建立了一个含有1层地下室、4层地上结构的钢筋混凝土框架结构分离式模型;考虑钢筋和混凝土共节点的连接方式,采用三阶段模拟法将不同炸药作用位置时结构的连续倒塌模式进行对比,分析梁、板、柱等主要受力构件的具体破坏方式;阐释结构在地下室内部爆炸后的不同倒塌破坏模式。结果表明:地下室内部爆炸发生后地上一层破坏严重,在地下结构柱附近爆炸使得结构节点处破坏严重,从而导致结构的连续倒塌。     

钢筋混凝土平面框架连续性倒塌的仿真分析

采用基于离散单元开发的仿真程序CSPF1.0对一榀模拟底层中柱失效的连续倒塌试验框架进行了计算分析,所得到的中柱荷载-位移曲线与试验曲线吻合较好,说明了仿真程序用于大位移大变形下的钢筋混凝土框架结构分析的可靠性。在此基础上,进一步加大竖向荷载对试验中未获得的连续性倒塌全过程进行了模拟。仿真结果与已有试验现象相符且对最终的倒塌过程给出了合理的预期,从而表明CSPF1.0程序能够较好地用于包括单元不连续及接触碰撞在内的连续性倒塌全过程的模拟。     

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。     

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。     

谈框架结构改造中的技术特点

该文根据某房屋建筑的结构改造设计实例,简要介绍了设计时新旧建筑结构的连接问题,并探讨了钢筋混凝土框架结构的技术特点。