基于实际火灾场景的钢框架结构倒塌机制分析

采用ABAQUS建立无楼板的多层钢框架模型,采用顺序热-固耦合法,综合考虑实际火灾场景下局部火源位置、火源功率变化、非均匀分布温度场及火灾作用下梁柱失效进行分析,研究了在梁柱的受火形式和失效柱位置两种因素影响下钢框架结构的初始破坏机理与倒塌机制。结果表明：钢框架结构的连续倒塌始于受火柱的屈曲失效,与之相连的梁由于失去竖向支撑挠度增大并产生拉力,使内力重分布柱产生侧移,进而在火灾的持续作用下结构位移不断发展,破坏向周围扩散,最终导致结构发生连续性倒塌;当底层失效柱为角柱和边柱时,结构发生倾覆式连续性倒塌;当底层失效柱主要分布在结构对称轴上时,结构发生下沉式连续性倒塌,该类型倒塌发生较为突然。     

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。     

偏心支撑对高层钢框架结构抗连续倒塌性能的影响

为研究偏心支撑对高层钢框架结构抗连续性倒塌性能的影响,利用ANSYS 10.0建立两个20层钢结构平面框架的有限元模型,分别为无支撑框架和偏心支撑框架。采用备用荷载路径法对它们进行非线性静力分析及非线性动力分析。通过分析比较两个算例框架的结果,偏心支撑不仅能够提高结构的整体刚度,而且能显著地提高剩余结构的抗连续性倒塌能力,但对结构的竖向极限承载能力并没有明显的提高。     

基于ANSYS分析既有RC框架结构抗连续性倒塌的能力

采用ANSYS软件,建立了RC框架结构有限元模型,并利用线性静力法,研究了四种不同失效工况下RC框架结构的抗连续性倒塌能力,依据分析结果,提出了RC框架结构的加固措施。     

爆炸荷载作用下钢框架结构的爆破模拟分析

利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序研究爆炸荷载作用下钢框架结构的连续性倒塌机理,主要针对3层4跨钢框架和5层4跨钢框架结构进行爆破拆除仿真模拟,根据不同的适用条件,分别针对定向倒塌方案、原地倒塌方案、内向倒塌方案和折叠倒塌方案进行模拟分析。分析结果表明:通过合理设置结构各参数和爆破点位置,可较为准确地模拟钢框架结构的爆破拆除过程,可用于钢结构爆破工程中爆破方案的模拟预测,并根据模拟结果对方案进行优化调整,为实际爆破工程提供技术支持。     

钢骨混凝土框架结构抗连续倒塌分析

建筑物连续倒塌的原因主要是由于偶然或突发荷载作用,导致结构出现与初始破坏不成比例的大面积坍塌。针对这一特点,本文采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对一榀大跨钢骨混凝土框架结构进行数值分析。分析其在单根边柱、角柱失效情况下剩余结构动力响应,包括失效节点竖向位移、梁端弯矩、柱轴力以及框架抗连续倒塌机制。研究表明:拆除构件柱子后,离柱子越近的柱的轴力变化值越大;离拆除柱越远,梁端弯矩的影响越小;拆除边柱对与拆除中柱相比较,拆除边柱对结构的抗连续倒塌更为不利,易于出现连续性倒塌。     

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。     

节点刚度对外伸端板连接钢框架结构抗连续倒塌性能的影响研究

为研究节点刚度对外伸端板连接钢框架结构抗连续倒塌性能的影响,本文利用ANSYS14.0建立两个6层平面钢框架的有限元模型,梁柱节点分别为刚性节点和半刚性节点,半刚性节点利用非线性弹簧单元Combin 39单元进行模拟。考虑材料非线性及几何非线性,采用备用荷载路径法对其进行非线性静力分析(采用Pushdown analysis)及非线性动力分析。结果表明:柱破坏时,与刚性节点平面钢框架相比,半刚性节点平面钢框架的塑性铰出现较晚,失效点竖向位移增大,结构的竖向承载能力降低,更易发生倒塌破坏,因此,进行外伸端板连接钢框架结构的抗连续倒塌分析时应考虑节点刚度的影响,否则会高估其抗倒塌能力,带来偏不安全的结果。     

RC框架结构抗连续倒塌分析

参考美国规范,运用拆除构件法,基于SAP2000通用有限元软件．对一按照我国现行规范设计的RC框架结构进行抗连续性倒塌分析,分析了移除失效柱后,剩余框架柱柱轴力的变化趋势,对比分析了柱失效位置对结构抗连续性倒塌性能的影响,并研究了层高对结构抗连续性倒塌性能的影响．得出在不考虑地震荷栽作用时：角柱失效对结构影响最大;柱失效后,剩余结构的内力重分配只集中在失效跨内,失效点上方柱基本失去支撑作用;层高对结构抗连续性倒塌性能影响较小,建议结构层高取值在3．6m～4．2m之间。     

基于非线性动力分析的多层钢框架结构抗连续倒塌能力研究

目的:分析了多层钢框架结构的抗连续倒塌能力,为抗连续倒塌设计及研究提供参考。方法:采用非线性动力分析方法,对不同抗震设防烈度的钢框架结构的抗连续倒塌能力进行了分析和对比。结果:拆除柱后失效点竖向位移:角柱长边中柱内部柱。随着抗震设计的提高,拆除柱后失效点的竖向位移减小。结论:1)角柱失效对结构抗连续倒塌能力的影响最强,其次是长边中柱,而内部柱对其影响最弱。2)抗震设计增强了结构的侧向刚度,提高了结构抗连续倒塌能力。     

Design of steel portal frame buildings for fire safety

This paper describes a study into the fire behaviour of steel portal frame buildings at elevated temperatures using the finite element programme SAFIR. The finite element analysis carried out in this report is three dimensional and covers different support conditions at the column bases, the presence of axial restraints provided by the end walls, different fire severities within the building, different levels of out-of-plane restraint to the columns and the effect of concrete encasement to the columns. From a large number of analyses, it is shown that the bases of the steel portal frames at the foundations must be designed and constructed with some level of fixity to ensure that the structure will deform in an acceptable way during fire, with no outwards collapse of the walls. The analyses also show that to avoid sidesway (i.e. collapse outwards) it is not necessary for steel portal frame columns to be fire-protected unless the designer wishes to ensure that the columns and the wall panels remain standing, during and after the fire.     

火灾下钢筋混凝土平面框架结构受力机理分析

为研究火灾下钢筋混凝土框架结构的受力机理,采用梁单元建立了钢筋混凝土框架结构耐火性能有限元计算模型,考虑火灾位置、柱轴压比和梁配筋率等参数的影响,对火灾下钢筋混凝土框架结构的变形、内力重分布、破坏形态以及耐火极限进行了参数分析。分析结果表明,火灾下框架结构出现了整体破坏形态和局部破坏形态两种典型的破坏形态：当柱轴压比较小时,框架出现受火梁破坏导致的框架局部破坏形态;当柱轴压比和梁配筋率均较大时,框架出现受火中柱和受火边柱破坏导致的框架整体破坏形态,整体破坏形态为连续性倒塌破坏。在框架局部破坏形态条件下,三面受火梁在框架竖向分布位置不同,受约束作用不同,框架的耐火极限亦不同;而在框架整体破坏条件下,柱轴压比越大,耐火极限越小。     

方钢管混凝土柱-钢梁框架耐火性能分析

研究方钢管混凝土柱-钢梁框架结构的耐火性能。基于有限元方法,分析了GB/T 9978（同ISO-834）加热条件下,带有混凝土楼板的方钢管混凝土柱-钢梁单向螺栓连接框架结构的温度分布、耐火时间和破坏模式,并对有限元模拟结果进行了试验验证,在试验结果基础上采用有限元方法分析了方钢管混凝土柱构件与方钢管混凝土框架柱的耐火极限差异。研究结果表明：与方钢管混凝土框架柱的其他区域相比,方钢管混凝土框架柱节点区的温度相对较低;根据本文建议的框架结构判定准则,当单向螺栓节点连接可靠,随着作用在柱和梁上荷载水平的变化,柱破坏模式和梁破坏模式是方钢管混凝土柱-钢梁框架的主要破坏模式;当框架梁上不施加荷载,只对框架柱起到约束作用,其他条件相同时,方钢管混凝土框架柱的耐火极限大于两端铰接柱构件的耐火极限,但小于一端固接一端铰接支撑柱构件的耐火极限。     

基于纤维梁模型的火灾下多层混凝土框架非线性分析

为分析和模拟多层混凝土框架结构在火灾下的反应规律及其破坏过程,基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型。模型将构件截面划分成多个纤维,可以考虑构件截面的不均匀温度场分布以及材料非线性和几何非线性问题。对单层单跨混凝土框架进行火灾反应分析,并与试验结果进行比较,验证了此数值模型的准确性。通过对多层框架进行火灾反应模拟,比较不同火灾场景的模拟结果,分析其反应规律以及破坏过程。结果表明,纤维梁单元模型可以较好地模拟钢筋混凝土结构的受火破坏过程,并且火灾发生的位置不同,结构的破坏机制也不同,一定条件下蔓延的火灾比不蔓延的火灾对多层混凝土框架结构的破坏性更大。分析结果可以为实际结构的防火设计提供参考。     

低周反复荷载下传统风格建筑钢筋混凝土-钢管混凝土组合框架抗震性能研究

对一缩尺比为1/2的传统风格建筑钢筋混凝土(RC)-钢管混凝土(CFST)组合框架模型进行了低周反复加载试验,研究了模型结构的破坏过程、破坏特征,得到了结构的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、应变特征、延性、耗能性能、刚度退化与承载力退化。试验分析表明：乳栿为模型结构的第一道抗震防线;模型结构的滞回曲线呈现出“捏缩”效应,表现出剪切滑移特征;试件破坏时,其等效黏滞阻尼系数为0.146,小于常规现代混凝土框架结构;模型框架的位移延性系数大于3.0,极限位移角为1/27,表现出良好的变形能力及抗倒塌能力。由应变分析可知,金柱纵筋先于檐柱纵筋屈服;混凝土柱纵筋先于方钢管屈服。基于试验结果,采用ABAQUS软件对模型进行了有限元分析,计算结果与试验实测结果吻合较好。在此基础上对模型进行参数分析,结果表明：随组合柱轴压比和CFST柱与RC柱线刚度比的提高,模型框架的水平承载力增大,但延性变差;随混凝土柱纵筋配筋率的增大,模型框架的水平承载力和延性均明显提高。     

钢筋混凝土抗震框架连续倒塌行为分析

以某抗震设防框架为研究对象,采用SAP2000有限元软件,依次拆除底层纵向边柱、横向边柱、角柱和内柱,研究抗震框架的倒塌破坏行为。以做功平衡原理建立了柱失效处梁配筋调整计算公式,并进行了配筋调整设计。结果表明:7度和8度抗震设防的框架结构仍会发生连续性倒塌,但是抗倒塌能力随着设防等级的提高而提高,抗震设计不能够完全替代抗倒塌设计;柱失效导致结构发生连续坍塌破坏的危险性由小到大依次为内柱、横向边柱、纵向边柱、角柱;梁铰机制在结构抗倒塌中的作用尤其重要,倒塌破坏时以梁的弯曲破坏为主,剪切破坏较少出现;线弹性静力分析计算的供需比最大值一般出现在失效柱上一层的相邻梁上,而非线性静力分析的最大破坏出现在与失效柱相连的梁上,但是二者对结构可能的失效位置判断基本一致。     

Finite element analysis of concrete-filled circular steel tubular columns subjected to post-earthquake fire

为研究圆钢管混凝土柱经历地震损伤后的耐火性能,选取了合理的地震损伤指数及材料本构模型,采用有限元分析软件ABAQUS,对钢管混凝土柱在往复荷载和火灾等不同工况下的试验进行了数值模拟验证。在验证模型可靠性的基础上,利用ABAQUS中的数据传递功能,建立了震损后圆钢管混凝土柱耐火极限有限元计算模型。以圆钢管混凝土典型轴心受压柱为分析对象,对其先后经历地震和火灾作用下的破坏形态、损伤机理进行了分析,研究了损伤指数对圆钢管混凝土柱震后耐火极限的影响。结果表明：震损后圆钢管混凝土柱在高温下的破坏形态是在前期地震损伤基础上的发展和蔓延;地震损伤指数是影响圆钢管混凝土柱震后耐火极限的重要参数,随着地震损伤指数增大,圆钢管混凝土柱的耐火极限有所减小。     

预应力轴压撑杆钢柱高温性能试验研究与数值分析

为研究预应力轴压撑杆钢柱的高温性能，进行了2根预应力撑杆钢柱高温试验。试验结果表明：拉索无防火措施时，其相对张力在初始升温阶段就迅速下降，直至完全松弛；预应力撑杆钢柱的轴向变形先由于热膨胀效应轴向伸长，而后在压力作用下轴向压缩；临界状态时，撑杆柱出现对称和反对称两种失稳形态。采用验证后的ANSYS有限元分析模型，考虑材料非线性、几何非线性和初始缺陷等，分析了荷载比、相对轴向刚度比和预应力比等3个关键参数对预应力撑杆柱高温性能的影响，得到了一系列拉索相对张力、侧向变形和轴向变形分别与时间的关系曲线。分析表明：预应力撑杆柱中拉索张力很快在高温下逐渐松弛，达到张力松弛所需时间主要受预应力比影响；预应力撑杆钢柱的侧向变形在升温初期缓慢增长，在失效前增长迅速；随着荷载比增大，预应力撑杆柱侧向变形和轴向变形越来越明显，且达到峰值所需时间不断缩短；预应力比对撑杆钢柱失效临界温度影响较小，但对预应力撑杆柱的破坏形态有较大影响。     

不同火灾工况下钢梁-钢管混凝土柱平面框架受火全过程分析

采用多尺度建模方法建立了考虑钢材高温蠕变的三层三跨钢梁-钢管混凝土柱平面框架火灾全过程热-力耦合数值模型,研究不同火灾工况下平面框架经历常温加载、恒载升温、降温和火灾后等不同受火阶段的力学性能。在与已有试验对比验证的基础上,分析了框架经历升温和降温后受火钢梁跨中挠度和受火柱顶轴向变形与升降温时间关系,计算了火灾后框架底层柱底水平荷载P-框架顶层水平位移Δ关系曲线。研究结果表明：钢材的高温蠕变是钢材在热力耦合作用下应变的一部分,计算过程中需要考虑其影响;钢梁在升温过程中由于高温膨胀对框架柱产生外推作用,而进入降温阶段后钢梁产生明显的收缩变形;框架底层三跨同时受火时钢梁跨中挠曲变形最大,受火初期柱顶轴向压缩变形小于膨胀变形;受火后框架水平承载力和初始刚度均随受火区域的增大呈下降趋势。