浅谈钢筋混凝土结构在地震力作用下的倒塌破坏

概述钢筋混凝土结构在地震力作用下的倒塌破坏研究理论体系,着重介绍结构分析模型、单元构件模型、构件的恢复力模型、粘结滑移问题、P-△效应、结构倒塌的判断准则,为钢筋混凝土结构倒塌破坏研究提供理论依据.     

钢筋混凝土框架结构倒塌破坏能量分析的研究

本文采用能量时程分析法，将Q模型法引入框架结构的倒塌分析，通过对绝对能量方程和相对能量方程进行对比，推导出了相对能量方程中各项的数值表达式。利用双重破坏准则，确定了结构地震破损度标准，提出了建筑物倒塌破坏的评估理论与方法。最后对保证梁铰机制的构造措施进行了探讨。     

考虑应变率效应的钢筋混凝土结构非线性地震灾变过程模拟

为研究应变率对钢筋混凝土结构非线性地震灾变过程的影响,采用钢筋、混凝土单轴动态本构关系及加卸载准则,基于纤维梁理论开发了ABAQUS显式动力分析材料子程序。通过对3层偏心钢筋混凝土框-剪结构振动台试验的数值模拟,验证了该程序用于钢筋混凝土结构非线性地震反应分析的准确性和有效性。通过在材料子程序中定义钢筋、混凝土材料失效破坏判别准则,实现了地震作用下考虑应变率效应的钢筋混凝土结构连续倒塌破坏全过程模拟。分别对振动台试验模型结构和钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏模式进行了预测,初步探讨了应变率对钢筋混凝土结构地震反应与连续倒塌破坏过程的影响。结果表明:该程序能够准确模拟钢筋混凝土结构的非线性地震灾变过程,可用于考虑材料应变率效应的钢筋混凝土结构抗震设计与分析中。     

常规混凝土框剪结构连续倒塌动力响应分析

多高层办公建筑主要采用混凝土框剪结构，其在局部结构构件失效下的整体结构连续倒塌可能引发严重的经济损失和社会影响。该文针对常规结构布置的典型框剪结构开展了动力连续倒塌分析，总结其规律为结构毁伤下的连续倒塌快速评估提供依据。主要工作包括：按照不同抗震设防烈度、跨度、层数设计了18个典型结构布置的框剪结构，并采用纤维梁单元和分层壳单元建立了整体结构的数值模型库；采用非线性动力拆除构件法对整体结构开展了计算分析，获得结构系统在局部构件失效下的动力响应；对比分析不同结构的连续倒塌动力响应，研究不同参数对连续倒塌后果的影响。     

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。     

下击暴流作用下超大型冷却塔倒塌机制与失效准则研究

为研究下击暴流特异风作用下超大型冷却塔响应特征与倒塌机制,以中国西北地区某在建228 m世界最高冷却塔为对象,采用分层壳单元法建立结构多尺度有限元模型,基于LES方法获得超大型冷却塔在下击暴流作用下三种典型工况处的内外面脉动风压,再结合增量动力分析法分析超大型冷却塔风致倒塌全过程变化规律,提炼超大型冷却塔在下击暴流作用下的倒塌机制,最后构建下击暴流风驱下超大型冷却塔倒塌失效准则。研究表明：下击暴流下塔筒表面风压分布模式与良态风差异显著,超大型冷却塔倒塌机制随下击暴流中心距离增大由内凹机制转换为外掀机制,且当能量失效指标K≥2时,超大型冷却塔倒塌破坏。     

基于推覆分析的结构倒塌安全储备系数

基于增量动力分析(英文简称IDA)的倒塌安全储备系数(英文简称CMR)计算是ATC-63报告建议的方法, 该方法需要做大量的非线性时程分析, 计算非常耗时且效率不高, 不适于结构方案设计阶段针对倒塌安全储备能力的快速评估. 该文提出了基于推覆静力分析的倒塌安全储备系数(CMR)的实用计算方法, 该方法中以改进的Park-Ang损伤模型作为结构整体倒塌判别准则, 倒塌性能点则是通过推覆分析得到的能力曲线, 并结合由各个地震动的反应谱以及Nassar-Krawinkler塑性谱生成相应的塑性需求曲线来确定. 该方法结合了ATC-63报告中计算思路和推覆分析的特点, 考虑了所选地震动对倒塌性能点的差异性, 计算效率大大提高, 且计算结果偏于保守地合理, 上述特点通过一8层钢筋混凝土框架结构的算例得以证明.     

沿海环境影响下的RC框架结构抗倒塌体系的建立

当前在沿海环境影响作用的诱因下，造成结构工民建筑破坏范围不断扩大直至连续倒塌的现象比比皆是。本文首先探讨了沿海环境影响下的RC框架结构的腐蚀发生的机理，然后具体分析了抗倒塌的措施，最后通过案例分析了抗倒塌的结构理论计算情况。     

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。     

考虑年均倒塌概率的结构倒塌安全储备可接受值

推导出结构年均倒塌概率与结构倒塌安全储备之间的关系,并提出依据年均倒塌概率可接受值计算可接受倒塌安全储备系数CMR的方法。利用全概率理论,将倒塌易损性与地震危险性进行耦合,得到结构年均倒塌概率,采用中值倒塌地震强度建立年均倒塌概率与结构倒塌安全储备系数CMR的关系。结合大震倒塌概率可接受值确定年均倒塌概率可接受值,进而计算结构可接受倒塌安全储备系数CMR。结合我国抗震规范规定的加速度反应谱建立CMR谱,给出了乙类、丙类结构在不同设防烈度下的可接受年均倒塌概率值以及可接受CMR值。研究表明：结构可接受年均倒塌风险越低,结构的倒塌安全储备可接受值越大,并呈现幂函数的数学关系,而可接受年均倒塌概率又与大震强度、地震危险性以及总倒塌不确定性有关。依据我国抗震设计规范背景建议的特定可接受年均倒塌概率下的可接受CMR谱,可以反映不同周期区间结构随总倒塌不确定性变化的规律,可用于结构倒塌安全储备的快速评估。基于CECS392建议的可接受大震倒塌概率计算得到乙类建筑的可接受年均倒塌概率远小于丙类建筑,均随着设防烈度的提高而下降,相应的CMR可接受值则呈现增加趋势。     

地震下高层建筑连续倒塌数值模型研究

连续倒塌是由局部薄弱层或薄弱区域而导致的整体结构倒塌,是地震下结构最常见的一种破坏模式。理论上,结构设计应避免在地震下发生倒塌破坏,但对结构倒塌行为的研究有利于更好地理解结构倒塌机理并寻找有效的抗倒塌方法。倒塌过程与整体结构体系关系紧密,因而数值模拟成为研究倒塌问题的主要手段。该文开发了可以模拟复杂结构倒塌的程序,通过将数值分析结果与试验进行比较,说明数值模型可较好地模拟结构构件的各种极端非线性行为。采用建议的数值模型对两个实际结构进行了分析,分析结果对研究结构在地震下的破坏倒塌机理具有参考意义。     

复杂环境危房的爆破拆除

介绍了两栋复杂环境危房的爆破拆除，分别为排架结构加框架结构的混合结构和砖混结构的五层楼。根据周围环境和待爆建筑物的结构特点，简要分析了排架结构失稳下坠时的受力状况，排架结构加框架结构的混合结构采取纵向逐排爆破倒塌的方案，较好地控制了倒塌方向和范围。     

单层球面网壳考虑一致倒塌概率的倒塌安全储备分析

提出了考虑一致倒塌概率的单层球面网壳结构倒塌安全储备计算方法。以标准正态分布作为倒塌概率密度函数,采用指数型分布函数描述地震危险性,在假定网壳结构特大震倒塌率限值为10%的情况下,将两者积分得到了适用其50年内一致倒塌概率限值为0.46%,低于针对普通房屋建筑结构50年内一致倒塌概率1%的限值。在定义网壳结构特大地震强度水平的基础上,引入一致倒塌概率对其进行了修正。根据修正特大震强度,最终提出了针对网壳结构的倒塌安全储备系数（CMR）计算方法,这种做法可以使所做的抗倒塌设计更好地考虑到所有超越概率地震动水平,保证各抗震设防烈度下大跨网壳结构具备统一的倒塌概率限值要求。另外,通过谱形状参数对建议的倒塌安全储备计算结果进行了谱修正。针对三个算例网壳的增量动力分析对比了不同矢跨比和不同结构类型对倒塌安全储备以及50年倒塌概率的影响,三个算例结构均能满足倒塌概率限值的要求,50年倒塌概率与倒塌安全储备有较好的一致性。     

RC框架结构抗地震倒塌性能评估的简化方法

框架结构抗地震倒塌性能的定量评估近年来受到广泛关注,迫切需要建立一套抗倒塌性能评估指标,而且需同时具备实用性和可行性。该文从我国抗震规范的延性设计要求出发,分别考虑柱、梁抗弯承载力比和柱弯曲屈服对应的剪力与柱受剪承载力比等参数对结构抗倒塌性能的影响,并分析了二者对结构抗倒塌性能影响的相关性。结果表明：柱、梁抗弯承载力比对结构抗倒塌性能影响显著,柱弯曲屈服对应的剪力与柱受剪承载力比对结构抗倒塌性能也有一定的影响,且二者对结构抗倒塌性能的影响存在相关性。通过对这两个结构参数进行不同的调整组合,考察结构的抗倒塌性能,进一步建立了简化的抗倒塌性能评估指标,为框架结构抗倒塌性能的定量评估提供参考。     

高耸钢筋混凝土烟囱抗地震倒塌能力分析

基于增量动力分析法,对高耸钢筋混凝土烟囱结构的抗倒塌性能进行了概率性分析,得到了结构的侧向倒塌地震易损性曲线,定量评价了烟囱结构的抗倒塌能力和抗倒塌安全储备。为了探讨土-结构相互作用对烟囱结构倒塌能力的影响,提出了适用于烟囱结构的土体-基础-上部结构共同工作的整体非线性有限元分析模型。研究表明:在7度罕遇地震(PGA=0.22 g)下,该烟囱结构发生倒塌的概率几乎为0%,能够满足规范规定的\     

不同抗震设防RC框架结构抗倒塌能力的研究

地震作用下建筑结构的抗倒塌能力是基于性能抗震设计的核心目标.建筑结构需要足够的抗倒塌安全储备,以避免大震或特大地震的倒塌破坏.我国现行抗震设计尚缺乏大震抗倒塌定量设计方法和抗地震倒塌能力的定量评价指标.该文基于IDA的结构抗倒塌易损性分析方法,定量评价了按现行规范设计的不同抗震设防烈度多层RC框架结构的抗地震倒塌能力和...     

Geiger型碳纤维索穹顶结构连续倒塌性能非线性分析

为了研究Geiger型碳纤维索穹顶结构的连续倒塌路径及破坏模式,基于备用传力路径(alternate path,AP)方法,采用等效荷载瞬时卸载法来模拟初始失效构件的拆除,对矢跨比为0.1的索穹顶结构的连续倒塌全过程进行了非线性动力数值分析。提出结构重要性矩阵和构件重要性系数的概念,建立了倒塌控制方程。依据倒塌控制方程将构件分为:关键构件、重要构件和一般构件。上述三类构件分别对应于在拆除该构件后结构发生整体连续倒塌、局部连续倒塌和不发生连续倒塌三种倒塌结果。通过参数分析,得出结论:对倒塌结果影响较大构件为内环索、内圈和中圈压杆。针对Geiger型碳纤维索穹顶结构提高抗连续倒塌性能提出设计建议。     

基于拆除构件法的低烈度区超高层建筑抗连续性倒塌性能分析

超高层建筑的抗倒塌设计是其安全设计中的重要一环,保障超高层建筑的抗倒塌性能对于保护人民生命财产安全具有重要意义。现阶段系统考虑超高层建筑抗地震倒塌和抗连续倒塌研究的工程案例还比较有限。该文对一489 m超高层结构的抗地震倒塌能力、抗爆能力和关键竖向构件拆除后的抗连续倒塌能力进行了分析,结果表明：该超高层结构在所选取的8组地震动记录下的抗倒塌安全储备系数为3.59,抗地震倒塌性能良好;在爆炸距离为5 m的情况下箱包炸弹的TNT当量达到约3.2 t时可以造成结构倒塌,在爆炸距离为10 m的情况下,面包车炸弹的TNT当量达到约10.0 t时可以造成结构倒塌;在巨柱、塔冠钢柱、次级钢框架吊柱和承重柱等关键竖向构件中的一根构件被拆除后,结构备用传递路径能够发挥作用,整体结构抗连续倒塌性能良好;在拆除两根底部巨柱的情况下结构未发生倒塌,而在拆除三根底部巨柱的情况下,若拆除的巨柱不是建筑相邻角四根巨柱的三根,则结构依然可以不发生倒塌,反之则发生倒塌。该文分析方法和结果可以为类似超高层建筑的防倒塌设计提供参考和借鉴。

     

基于有限质点法的单层球面网壳强震作用下连续倒塌破坏研究

有限质点法是以向量式结构力学为基础的崭新的结构分析方法。该文以该方法为基础,综合考虑结构的几何非线性、材料非线性和构件断裂,研究单层球面网壳结构在地震作用下的连续倒塌破坏全过程。该文介绍了有限质点法的基本理论,提出了该方法分析结构非线性问题和断裂问题的具体思路。采用直接输入法输入地震波,利用自编程序实现了单层球面网壳结构倒塌全过程模拟。研究了矢跨比对球面网壳强震作用下倒塌性能的影响,讨论了结构的倒塌时间和倒塌模式,并基于结构的倒塌模式通过局部加强法对单层球面网壳结构进行了抗倒塌设计。     

钢筋混凝土框架结构破坏性能的离散单元法模拟

离散单元法是模拟结构破坏的一种有效的分析方法.通过引入节点单元和考虑混凝土的非线性对矩形离散单元模型进行了改进,并给出了改进后离散单元模型的破坏准则和基本方程以及弹簧系数等计算参数的确定;改进后的模型采用了双链表技术,提高了模型的计算效率.对在爆炸荷载作用下的钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏过程进行了模拟,结果表明:采用改进后的离散单元法可以有效地模拟钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏过程.