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。     

地震作用下钢框架结构竖向连续倒塌可靠度分析

通过建立典型钢框架的连续倒塌分析数值模型,使用拉丁超立方抽样方法抽取随机样本进行可靠度分析,考虑结构参数的不确定性影响,确定完好结构在地震作用下发生局部损坏的概率。以大震作用下可靠度指标最小的构件作为结构的失效构件,基于整体可靠度方法,采用拆除构件法对失效构件进行拆除并施加地震荷载进行分析,得到不同失效模式下受损结构发生连续倒塌条件可靠度指标和失效概率。最后结合失效构件的失效概率,研究结构在地震作用下的连续倒塌全概率可靠度。研究表明,运用可靠度理论对钢框架结构进行连续倒塌可靠度分析,可以直观地得到地震作用下钢框架结构发生连续倒塌的概率,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。     

钢筋混凝土框架结构连续倒塌的竖向非线性动力分析

结构的连续倒塌分析（PCA）是结构抗连续倒塌能力定量评定和抗连续倒塌设计的基础,已成为当前国内外土木工程界的热点研究领域。本文基于备用荷载路径原理,采用考虑构件失效时长的竖向非线性动力分析方法,对钢筋混凝土平面框架结构进行了竖向连续倒塌分析,根据损伤结构的反应判断剩余结构能否抵抗连续倒塌,分析中考虑了将同一轴线不同楼层的框架柱逐根移除和将同一轴线所有楼层的框架柱同时移除这两种情况对结构倒塌失效模式的影响,探讨了失效时长对结构动力响应的影响,发现构件失效时长对剩余结构的响应有重大影响。研究表明,竖向非线性动力分析方法是结构抗连续倒塌设计与抗连续倒塌能力分析的一种有效方法。     

结构抗连续倒塌试验方法研究

结构抗连续倒塌试验是认识结构连续倒塌性能和特点的重要基础。分析和比较了平面框架和空间框架两类试验模型的特点,讨论了钢筋混凝土框架结构、钢框架结构和网架等大跨空间结构抗连续倒塌试验的初始失效构件模拟、加载方案、加载制度、构件失效准则和连续倒塌破坏准则。     

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。     

空间网架结构的连续倒塌分析

在偶然荷载作用下,结构的局部构件可能发生初始破坏从而导致结构的连续性倒塌。文章基于有限元软件LSDYNA,采用变换荷载路径法对空间网架结构破坏后的倒塌进行了力学分析和仿真,并且分析讨论了结构的关键构件。模拟结果表明增大关键构件的截面及提高材料的失效应变,可显著提高空间网架结构的抗连续倒塌能力,将有可能避免结构倒塌。     

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。     

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。     

填充墙RC框架结构抗连续性倒塌研究

论文基于备用荷载路径原理,采用非线性静力和非线性动力分析方法,研究了填充墙的布置对框架结构连续性倒塌性能的影响.建立一个4层RC框架结构模型,分别对纯框架结构和考虑填充墙布置的框架结构进行了分析,移除首层框架中柱,分析剩余结构在移除柱后的动力响应.分析结构表明,填充墙不仅能承受一定的竖向荷载,还能增大剩余结构的延性和失效跨内荷载重分配的范围,减小失效点的竖向位移,从而提高了结构的抗连续性倒塌能力.填充墙的不均匀布置对结构抗连续性倒塌性能有明显的消弱作用,在进行结构抗连续性倒塌设计时,应特别注意填充墙的数量和布置方式,避免形成薄弱层.     

局部爆炸作用下混凝土框架结构抗连续倒塌设计

采用替代路径法对按我国规范设计的钢筋混凝土框架结构进行局部爆炸作用下抗连续倒塌设计验算和再设计.竖向构件移除位置、荷载组合、构件失效准则以及结构破坏范围限值均参考美国<结构抗连续倒塌设计>(UFC4-023-03)中的规定,改进了其中的构件塑性铰模型,采用条分法得到了纯弯和压弯构件塑性铰的荷载-变形全过程,以合理描述构件受力性能.研究发现,常规设计难以保证结构在局部爆炸作用下不发生连续倒塌.随后进行了参数研究,以认识重要参数对结构抗连续倒塌性能的影响.结果表明,减少柱距后结构抗连续倒塌性能提高明显,而提高结构抗震设防烈度的方法效果不明显,增加结构层数则会削弱结构的抗连续倒塌能力.在此基础上给出了三个抗连续倒塌设计方案并进行了经济性比较.比较表明,同时提高结构的冗余度和构件的承载力具有较好的经济性.     

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。     

混凝土结构抗连续倒塌研究综述

连续倒塌是整体结构系统的复杂力学行为,涉及极端荷载的不确定性、结构行为的强动力非线性和承载机制的超大变形特征。为了更好地应用已有抗连续倒塌研究成果,分别对国内外影响较大的混凝土结构抗连续倒塌的试验、数值和理论研究结果进行了梳理。结果表明:已有试验研究主要集中于框架结构和板柱结构,对剪力墙结构、框剪结构等其他类型结构研究明显偏少,主要抗力机制的理论计算模型过于复杂,不利于工程应用,已有数值研究不能准确考虑大变形下钢筋黏结滑移失效、钢筋断裂和混凝土软化、破碎,准确性有待提高; 现有研究基本没有考虑多灾害耦合作用的不利影响,导致研究结论不准确,不利于指导设计; 未来需要进一步研究动力倒塌失效规律、不同类型结构的连续倒塌、整体结构系统连续倒塌规律、灾害相关的连续倒塌机理、面向多灾害防御的抗连续倒塌体系、面向工程的抗连续倒塌设计方法、高效连续倒塌数值分析模型等。     

工程结构连续倒塌破坏及性能提升技术研究现状

工程结构局部破坏引起整体失效的连续倒塌会造成严重的社会危害,且连续倒塌问题的不确定性使得整个结构的临界状态异常复杂。已有众多学者对工程结构连续倒塌问题展开大量研究,笔者对国内外工程结构连续倒塌性能的试验研究、数值模拟和理论分析成果进行了总结,包括:归纳了不同结构形式如钢筋混凝土框架结构、板柱结构、组合结构和预制装配式结构的连续倒塌机理、影响因素、理论分析等方面的主要研究; 总结了梁柱和梁板结构受力全过程计算模型等倒塌抗力计算模型的理论研究现状,指出了目前计算模型的不足; 总结了采用加固方式提升抗连续倒塌性能的方法,并且从增强抗弯性能、压拱效应、悬链线效应、拉压膜效应以及改变受力体系方面分析不同加固方式对连续倒塌破坏机制的影响。在现有研究的基础上分析了目前研究的不足以及对后续研究方向进行了展望。     

建筑结构抗倒塌分析方法

建筑结构的倒塌可分为两种模式:建筑物侧向增量倒塌与竖向连续倒塌。本文论述了建筑物结构失效模式的如何辨识以及侧向倒塌能力点确定准则的相关研究进展。介绍了现有的连续倒塌研究方法,尤其是基于备用荷载路径的竖向非线性动力分析方法。为建筑结构整体抗震可靠度研究以及结构抗震性能评定与设计提供参考。     

基于随机Pushdown方法的钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌能力概率评估

为了评估钢筋混凝土框架结构的不确定性参数对其抗连续倒塌能力的影响,将确定性Pushdown分析与可以控制相关性的拉丁超立方体抽样方法（LHS）相结合,提出一种随机Pushdown方法。为说明方法的建立和应用,选择一栋8层4跨的钢筋混凝土框架结构,考虑结构的荷载、材料强度以及几何尺寸等17个不确定性参数,采用Pushdown方法分析获得的结构所能承受的最大竖向荷载作为其抗连续倒塌能力,统计得到结构连续倒塌易损性函数,并采用“龙卷风图”方法对不确定性参数的灵敏度进行了分析。结果表明,结构不确定性参数对抗连续倒塌能力影响显著,结构的抗连续倒塌能力的变异系数达到20%,其中,活荷载、楼层恒荷载、钢筋极限应力以及梁截面钢筋面积等参数对结构抗连续倒塌能力的影响最为显著。     

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。     

悬链线效应下钢筋与混凝土黏结锚固性能试验研究

为研究悬链线效应下锚固钢筋与混凝土之间的黏结破坏,以及在RC框架结构连续性倒塌过程中钢筋拉断和黏结失效的先后顺序,分析锚固长度、钢筋布置方式对黏结锚固性能的影响。将钢筋锚固于钢筋混凝土柱中,通过自制的自平衡加载装置,实现对框架结构梁端破坏而钢筋未拉断时形成悬链线受力机制的钢筋进行加载。试验结果表明：锚固钢筋与混凝土之间发生劈裂破坏,而锚固钢筋并没有被拉断,所以在RC框架结构抗倒塌设计中不宜采用直锚的锚固形式,而应该采用其他有效的锚固形式。此外,单排钢筋布置有利于提高锚固钢筋与混凝土之间的平均黏结应力,较双排钢筋布置下的约提高15%。     

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。     

钢筋混凝土单向梁板子结构抗连续倒塌试验研究

梁和板组成的楼盖系统是框架结构的主要抗连续倒塌构件。为了分析各类结构参数对钢筋混凝土楼盖系统抗连续倒塌性能的影响,该文首先根据《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010设计制作了8个钢筋混凝土单向梁板子结构缩尺试件,这些试件具有不同的截面尺寸和配筋率。然后通过竖向加载试验研究这些试件在中柱破坏后的材料变形/损伤和抗连续倒塌承载力。试验结果表明：带楼板的子结构试件的承载能力明显高于相同截面的梁试件的承载能力;试件在梁机制阶段的承载能力主要由截面尺寸和钢筋面积所决定,而悬链线机制阶段的承载能力主要由截面中连续钢筋面积所决定;楼板的宽度、厚度和板内配筋以及梁高对梁机制下的承载力有较大的提高,其中板宽在大于一定值后影响变得不显著;只有楼板宽度和楼板配筋率对悬链线机制下的承载力有显著影响;梁内抗震配筋对缩尺试件在两个阶段的抗连续倒塌承载力影响都不大。     

考虑楼梯的框架结构连续倒塌分析

利用有限元软件SAP2000的动力非线性计算方法对考虑楼梯与不考虑楼梯两种情况下的框架进行连续倒塌计算,对比分析了楼梯位置处两处框架柱失效时框架的抗连续倒塌能力。分析结果表明:当楼梯部位的柱失效时,考虑楼梯与不考虑楼梯对框架的连续倒塌计算影响很大。考虑楼梯后,模型失效点处的位移和框架梁的内力减小,部分柱内力增大;楼梯构件受力改变,可能会因此失效,但有利于实现荷载的多路径传递,从而对框架的抗连续倒塌有利。