Experimental investigation of asymmetrical reinforced concrete spatial frame substructures against progressive collapse under different column removal scenarios

The progressive collapse resistance design approach is generally applied in the context of a “column‐removal” scenario to assess the structural vulnerability to progressive collapse. To obtain a better understanding of the complex progressive collapse resistance of 3D asymmetrical column‐beam‐slab systems, five one‐third scale 2 × 2 bay asymmetrical reinforced concrete (RC) spatial frame substructure specimens were tested to analyze their collapse mechanisms under five different column removal scenarios, namely, an interior column removal scenario (INT), an exterior column removal scenario in the asymmetrical direction (EXT‐X), an exterior column removal scenario in the symmetrical direction (EXT‐Y), a corner column removal scenario at the long bay (COR‐L), and a corner column removal scenario at the short bay (COR‐S), which are among the most critical scenarios for analyzing structural resistance against progressive collapse. The test results showed that INT had the highest progressive collapse resistance capacity among the scenario substructures and exhibited two progressive collapse‐resisting mechanism stages: a primary mechanism stage (beam and compressive membrane mechanism) under small deformations and a secondary mechanism stage (catenary and tensile membrane mechanism) under large deformations in both the X‐direction and the Y‐direction. In EXT‐X and EXT‐Y, the collapse resistance was mainly provided by the double‐span beam at both the primary mechanism stage and the secondary mechanism stage. In COR‐L and COR‐S, the tensile membrane mechanism could not be mobilized, as the single‐span beams in both the X‐direction and the Y‐direction behaved like cantilevers. Additionally, the asymmetrical span design reduced the resistance of the structure against progressive collapse.     

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。     

纵筋屈服后刚度对混凝土梁柱子结构抗连续倒塌性能的影响

为探究纵筋屈服后刚度对混凝土框架在中柱失效后结构连续倒塌行为的影响,进行4个1/2缩尺的两跨梁柱子结构拟静力加载试验.其中3个试件配置具有不同二次刚度比的钢.纤维复合筋,另有1个配置普通钢筋的试件作为对比.对复合筋试件和对比试件的荷载/轴力-位移曲线、破坏模式、纵筋应变发展规律和各阶段的承载力进行分析比较.结果表明,梁...     

装配整体式混凝土框架子结构防连续#br# 倒塌空间受力性能试验研究

文章设计并制作3个2/3缩尺的梁柱节点构造形式为开槽水平搭接的装配整体式混凝土(PC)结构试件,对中柱进行了力-位移控制静力加载的试验。第1个为空间框架子结构,第2个为平面框架子结构,第3个为悬挑结构。根据试验的抗力、位移、应变、裂缝发展及破坏形态等结果对试件的受力变化及抗力机制进行分析。结果表明：压拱作用峰值点之前,空间框架子结构基本可以由平面框架子结构和悬挑结构来叠加等效。由于空间框架平面外横向梁的存在,使得空间框架子结构的压拱效应承载力相比于平面框架子结构的提高11.65%,这主要来源于平面外横向梁的梁机制提供的竖向承载力,但不影响空间框架和平面框架悬链线的开始位移。在悬链线阶段,空间框架子结构平面外横向梁的存在会使悬链线效应降低27.23%,且会使悬链线效应提前近一半的竖向位移结束。在空间框架子结构中发生连续倒塌时,柱头会发生平面外的偏转,会使压拱阶段的峰值相较于平面框架子结构和悬挑结构叠加之和降低4.77%,对悬链线阶段的峰值平面框架子结构和悬挑结构叠加之和降低39.04%。空间框架子结构和平面框架子结构的主要区别源于平面外横向框架梁的影响,会使得空间框架结构出现明显的扭转裂缝,且裂缝发展程度更集中和严重一些,这对结构受力是不利的。     

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。     

某摩擦摆隔震框架结构地震反应分析

介绍摩擦摆隔震支座的基本原理,采用可考虑动轴力和双方向耦合的FP模型建立摩擦摆隔震框架结构,分别用ETABS、SAP2000和MIDAS三个软件对摩擦摆隔震框架结构及其对应的非隔震框架结构进行模态分析、反应谱分析以及动力时程分析。结果表明:安装摩擦摆隔震支座能有效地控制位移、加速度和基底剪力等地震反应,削减构件内力;相比于多遇地震,罕遇地震下支座耗能性能得到更充分的发挥、结构响应降幅明显,减震效果更为理想。     

Experimental and modeling study on the progressive collapse resistance of a reinforced concrete frame structure under a middle column removal scenario

A reinforced concrete (RC) frame structure is one of the widely used structural system. A localized damage caused by extreme events may lead to progressive collapse of entire structures. In this paper, progressive collapse test of three 1/3‐scaled reinforced concrete frame, including a single‐story without a slab, single‐story with a slab, and double‐story with slabs, are reported. Experimental results show that the progressive collapse process of RC frame consisted of five stages: an elastic stage, yield stage, beam mechanism stage, transient stage and catenary stage. The reinforced concrete slabs contribute to large progressive collapse resistance force compared with the specimen without slab. Furthermore, validation of the test results by using a refined solid finite element model was established. The effect of extensive parameters, including slab thickness, beam section height, seismic design intensity, and so forth, on the progressive collapse performance of RC frame structures was simulated as well. The simulation results indicated that the collapse resistance of RC structures was substantially improved with the increased of the slab thickness and seismic design intensity. Finally, a simplified model is proposed in accordance with experimental and numerical results to calculate the collapse resistance of RC frame structures.     

钢筋混凝土板柱结构抗倒塌性能试验研究

对一单层2×2跨的钢筋混凝土板柱结构进行连续倒塌模拟试验研究,模型缩尺比为1∶2.34。通过静载试验来模拟板柱结构下层中柱失效。在板面预加2倍标准荷载的重力荷载,采用静力方式卸除中柱考察板柱结构抗倒塌性能。随后对中柱施加向下的集中力直至破坏,模拟板柱结构在均布荷载和上柱传力下的倒塌过程。研究结果表明：楼面荷载主要通过板的挠曲和薄膜作用传递。平板历经弹性阶段、压力薄膜阶段和拉力薄膜阶段。基于常规设计,通过完善构造措施等,可以保证中间区格钢筋混凝土板柱结构在经历中柱破坏后仍具有足够的抗连续倒塌能力。     

焊接连接预制混凝土梁-板子结构抗连续倒塌性能研究

通过试验与有限元分析研究焊接连接预制混凝土(PC)梁-板子结构的抗连续倒塌性能。在实验室制作1个焊接连接PC梁-板子结构缩尺模型,采用Pushdown加载方法并考虑工作荷载对结构倒塌过程的影响,研究该子结构在去除1个边柱工况下的抗力曲线、梁板变形、钢筋应变及有效抗力机制。试验结果表明,尽管假设动力放大系数为2.0,试验模型在瞬间移除1个边柱工况下也不会发生连续倒塌,焊接连接PC试件的破坏首先发生于焊缝处栓钉断裂。为了解焊接连接PC子结构抗倒塌机理及各主要构件的抗力贡献,通过商业软件ANSYS/LSDYNA进行数值分析并开展拓展分析。通过对比试验及有限元模拟结果发现,采用LSDYNA软件可以准确模拟试件的破坏模态及受力特性。有限元分析结果表明:在受荷初始阶段,预制板及叠合层对抗倒塌承载力的贡献只占30%,抗力主要由预制梁发展梁机制承担;但是在后期大变形阶段,预制板及叠合层对抗倒塌承载力的贡献可高达80%,叠合层中的钢筋网发展拉膜作用是后期大变形阶段试件的主要抗力机制。     

大型钢-混凝土组合楼盖系统的连续倒塌试验与失效机理研究

为研究钢-混凝土组合楼盖系统在连续倒塌工况下的抗力机制和破坏过程,按照中国现行规范设计了1个典型的组合楼盖钢框架原型结构,并从该原型结构中提取出两个单层2×1跨钢-混凝土组合楼盖子结构.分别开展了移除边中柱和角柱侧边柱两种工况下的足尺连续倒塌试验研究,并得到了相应的荷载-位移曲线、破坏模式、裂缝分布等.在移除边中柱时,...     

超长复杂隔震结构抗连续倒塌性能分析

以某医院的超长复杂隔震结构为工程背景,对超长复杂隔震结构进行了抗连续倒塌研究。运用非线性有限元软件建立考虑楼板作用的精细三维模型和未考虑楼板作用的简化三维模型,通过非线性动力拆除构件法对两种模型进行了分析,对比两种模型的抗倒塌能力。结果表明：该超长复杂隔震结构仅拆除1根柱时,结构未发生连续倒塌,且角柱对该隔震结构的连续倒塌影响较大|拆除2根柱时,未考虑楼板作用的简化三维模型发生了连续倒塌,而考虑楼板作用的精细三维模型未发生连续倒塌。因此,不考虑楼板作用的简化三维模型计算结果会偏于保守,进行结构抗连续倒塌时需考虑楼板的影响。     

后浇整体式预制混凝土梁-板子结构抗连续倒塌机理研究

为研究后浇整体式预制混凝土(PC)结构的抗连续倒塌性能,设计并制作了两个2跨1/3缩尺后浇整体式PC梁-板子结构模型.试验中采用堆加均布荷载与Pushdown结合的加载方式研究其在边柱失效下的抗力曲线与破坏模式.试验结果表明:后浇整体式PC结构中预制板的整体性较好,开裂主要集中在预制板与梁交界处;在加载过程中PC子结构...     

浅析钢筋混凝土框架梁的抗倒塌能力

基于钢筋混凝土连续梁板中的拱作用和索作用,说明钢筋混凝土框架梁有比按正常设计时更高的抗弯承载力和抗剪承载力,使得钢筋混凝土框架梁具有潜在的超载能力,从而形成新的有效的传力路径,实现钢筋混凝土框架梁抗倒塌的目的.     

不同边界条件下采用半刚性节点三维组合楼板子结构连续倒塌行为试验研究

通过试验研究了4种不同拆柱位置采用半刚性节点大尺度三维组合楼板子结构的连续倒塌行为,对比分析了不同边界条件下三维组合楼板结构体系破坏模式和结构响应的异同,并对组合楼板的作用进行了量化分析。研究结果表明:失效柱位置不同时,结构的失效模式存在一定的差异;组合楼板的存在提高了结构的承载力,尤其是在大变形阶段更为显著;边界条件越强,组合结构抗连续倒塌性能越强;外部柱失效对结构抗连续倒塌产生的不利影响远远大于内部柱失效的情况,即当结构在外部柱失效情况下有足够的鲁棒性能,整体结构就不会发生连续倒塌。     

方钢管柱-H形梁栓焊混合连接节点抗连续性倒塌性能试验研究

以2个方钢管柱-H形梁内隔板式刚性连接节点试件为研究对象,采用双半跨单柱型梁柱子结构,通过静力加载试验研究梁柱节点在中柱失效的连续性倒塌条件下的力学性能。试件梁柱节点采用栓焊混合连接方式,2个试件的腹板分别采用不同的螺栓排列形式。结果表明,试件的破坏均出现在节点区,发生于梁弦转角达到0.06 rad之后。最不利梁截面破坏时,首先发生下翼缘断裂,采用螺栓单列布置的试件发生下排螺栓孔壁局部承压与冲剪顺序破坏,而采用螺栓双列布置的试件发生剪切板内列螺孔处净截面开裂。梁柱子结构在加载前期主要通过受弯机制提供竖向抗力,在加载后期逐渐转变为依靠悬索机制抵抗上部荷载,且悬索机制最终可提供的竖向抗力高于前期受弯机制提供的竖向抗力。与梁柱节点采用腹板螺栓中部集中布置形式相比,腹板螺栓沿梁高度分散布置更利于梁翼缘开裂后剩余截面发展轴向拉力,可提高悬索机制竖向抗力与节点鲁棒性。     

考虑悬链线效应的钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌能力分析

为了研究悬链线效应对钢筋混凝土（RC）框架结构抗连续倒塌能力的影响,基于OpenSees建立可以考虑悬链线效应的RC框架宏模型,通过两个RC框架子结构在移除中柱后的竖向承载力试验结果对比,验证了所采用宏模型的合理性,并研究了悬链线效应对RC框架子结构抗连续倒塌能力的影响。分别采用备用荷载路径法中的非线性静力方法和非线性动力方法对1栋10层RC框架结构进行抗连续倒塌能力分析,研究悬链线效应对RC框架整体结构抗连续倒塌能力的影响。结果表明：不考虑悬链线效应的影响将低估RC框架结构的抗连续倒塌能力;在移除底层中柱情况下,不考虑悬链线效应分析得到的荷载放大系数最大值小于2.0,而考虑悬链线效应分析得到的荷载放大系数最大值则超过2.0。     

现浇与装配整体式混凝土空间框架子结构的抗连续倒塌性能试验对比研究

为研究装配整体式混凝土空间框架结构抗连续倒塌性能与现浇结构的异同，设计并制作了3个2/3缩尺、3梁4柱的混凝土空间框架子结构试件，对中柱进行了力-位移控制的静力加载试验。其中一个试件是现浇混凝土(RC)结构，另外2个试件是装配整体式混凝土(PC)结构，梁柱节点构造分别采用90°弯钩连接及锚固板焊接连接两种形式。根据抗力、位移、应变、裂缝发展及破坏形态等试验结果对试件的受力变化及抗力机制进行了分析。结果表明：PC试件梁端的裂缝发展更集中，而RC试件的梁端裂缝分布更均匀，这对结构受力更有利。RC试件的抗连续倒塌能力优于PC试件，在压拱阶段两者差别不大，但在悬链线阶段，RC试件的荷载最大值为167kN，分别为90°弯钩节点构造形式和锚固板焊接节点构造形式的PC试件的1.57倍和1.22倍，并且RC试件钢筋断裂更晚，具有更好的塑性发展空间。     

楼板对RC空间框架结构抗连续倒塌性能影响试验研究

为研究楼板对RC空间框架结构抗连续倒塌性能的影响作用,文章以汶川地震中完全倒塌的漩口中学教学楼为原型结构,设计3个单层2×2跨1/3缩尺模型,包括2个带楼板子结构和1个纯框架子结构,通过拟静力加载试验研究RC框架结构在拆除中柱状态下的连续倒塌破坏过程。试验结果表明：纯框架子结构首先进入梁机制阶段,框架梁内产生轴向压力,产生“压拱效应”,在梁端部截面抗弯承载力丧失后,进入悬链线机制阶段,依靠梁内部钢筋拉结力抵抗上部荷载。对比分析带楼板子结构与纯框架子结构试验结果,由于楼板的“薄膜效应”使梁机制峰值承载力提高了145%,悬链线机制峰值承载力提高了75%,楼板显著提高了梁机制和悬链线机制的抗连续倒塌能力。增加板厚增加梁板的“压拱效应”,极大提高梁机制承载力,然而大变形下梁板开始不协同作用,板发生冲切破坏,降低了悬链线阶段承载力和延性。     

Structural investigation of the collapse of the 16‐story Plasco building due to fire

On January 19, 2017, the 16‐story Plasco tower located in Tehran, the capital city of Iran, collapsed in several stages, due to a fire lasting 3.5 h. This paper presents the results of numerical investigations on how the structure behaved during that incident. In this regard, initially, a part of floor system including main truss girders, secondary truss beams, tie beams, and reinforced concrete slab is simulated to study its deformed shape and collapse modes. Then 2D and 3D models of the building are developed to evaluate the global behavior of the structure under fire. The results show that at elevated temperatures, deflection of the floor system, main trusses, and out‐of‐plane bending of the beam‐to‐column gusset plates become excessive, leading to partial collapse of floor, in the location of fire initiation. Also, 2D models show that thermal expansion and catenary action of heated truss induce large lateral displacement and bending moment in perimeter column that cause failure of this column at about 650°C. Finally, 3D models indicate that general collapse of the building is initiated by buckling of the external columns located in the southern perimeter of the building. This result is in good agreement with videos and photos showing actual collapse of the structure.     

Formulations for probability of progressive collapse

Practical and tractable formulations for determining the probability of progressive collapse in structures are developed. Both the case where abnormal loads are specified and the case where initiating damage levels are specified are considered. Methods for including event control measures in the formulations are also obtained. The formulations are applied to two examples: the vertical progressive collapse of a concrete panel building and the progressive collapse of a shorting system.