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。     

Study on seismic design method of high-rise structures resistant to rare earthquakes on basis of progressive seismic failure mode

针对高层结构罕遇地震作用下局部集中损伤破坏易导致整体倒塌的问题，及超静定次数消耗集中且不充分的结构地震失效本质，确定了高层结构耗能构件分批次充分消耗超静定次数的多阶段塑性发展路径，提出了高层结构塑性发展充分、失效方向可控、失效路径延长的渐进地震失效模式。同时，考虑结构多阶段塑性发展过程中地震作用的往复特性、高阶振型影响和非线性内力重分布特点，建立基于多阶段振型组合的标准地震作用，给出了多阶段塑性发展的抗震性能量化需求，建立了基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法。该方法将高层结构渐进地震失效全过程的复杂设计简化为有限塑性阶段的分段抗罕遇地震设计，解决了高层结构难于抗罕遇地震量化设计的难题。为验证该设计方法的有效性，对一幢10层高层结构进行了抗罕遇地震设计，通过非线性时程分析方法验证了按所提方法设计的结构能够实现结构渐进地震失效模式以及结构抗震性能目标，并对比分析了按所提方法设计的结构与按现行规范方法设计的结构的抗震性能，得到按所提方法设计的结构在地震动峰值加速度为0.22g作用下耗能提高了57%，在非线性静力推覆作用下非线性抗力（基底剪力）最大值提高了15.59%。     

基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法研究

针对高层结构罕遇地震作用下局部集中损伤破坏易导致整体倒塌的问题,及超静定次数消耗集中且不充分的结构地震失效本质,确定了高层结构耗能构件分批次充分消耗超静定次数的多阶段塑性发展路径,提出了高层结构塑性发展充分、失效方向可控、失效路径延长的渐进地震失效模式。同时,考虑结构多阶段塑性发展过程中地震作用的往复特性、高阶振型影响和非线性内力重分布特点,建立基于多阶段振型组合的标准地震作用,给出了多阶段塑性发展的抗震性能量化需求,建立了基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法。该方法将高层结构渐进地震失效全过程的复杂设计简化为有限塑性阶段的分段抗罕遇地震设计,解决了高层结构难于抗罕遇地震量化设计的难题。为验证该设计方法的有效性,对一幢10层高层结构进行了抗罕遇地震设计,通过非线性时程分析方法验证了按所提方法设计的结构能够实现结构渐进地震失效模式以及结构抗震性能目标,并对比分析了按所提方法设计的结构与按现行规范方法设计的结构的抗震性能,得到按所提方法设计的结构在地震动峰值加速度为0.22g作用下耗能提高了57%,在非线性静力推覆作用下非线性抗力（基底剪力）最大值提高了15.59%。     

建筑结构抗连续性倒塌研究进展与发展趋势

偶然荷载作用下结构可能会发生局部破坏而引起大范围或整体结构的连续性倒塌,建筑结构的连续性倒塌已经成为严重威胁公共安全的重要问题和土木工程学科的前沿课题.2001年美国"9·11"世贸大楼倒塌事件后,国内外学者聚焦结构抗连续性倒塌研究,对不同类型结构的倒塌机理、鲁棒性评价及设计方法等进行了深入研究,取得了诸多代表性的成果...     

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.     

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。     

建筑结构倒塌过程模拟与防倒塌设计

针对结构性能的数值模拟方法进行了综合分析,基于离散单元法提出了结构倒塌分析的理论模型。通过试验研究了混凝土块体间碰撞的力学行为,并结合扩展的数值分析建立了混凝土块体在不同碰撞形式下的计算模型。针对建筑物内的局部爆炸作用,在分析构件反应的基础上采用离散单元法对结构平面及空间倒塌过程进行了数值模拟。建立了适用于任意加载路径的材料弹簧力-位移本构关系,据此分析了地震作用下钢筋混凝土框架结构以及砌体结构空间倒塌过程。采用基于OpenGL的图形建模技术,实现了结构倒塌过程数值模拟结果的三维可视化。模拟结果与振动台模型试验结果及工程实测结果比较表明,所采用的离散单元法适合结构大变形阶段的分析。为提高计算效率和精度,有必要采用多尺度的模拟分析。另外,对不同荷载及作用下建筑结构抗倒塌设计方法进行了总结。并指出结构参数对抗连续倒塌性能的影响、结构倒塌机理、实用的防连续倒塌设计方法以及地震作用下结构防倒塌定量设计方法等方面尚待深入研究,以便建立相应的防倒塌设计规范。图15参21     

The influence of joints and composite floor slabs on effective tying of steel structures in preventing progressive collapse

The event of the terrorist attack on 11th September 2001 in the USA has attracted increasing attention of researchers and engineers on progressive collapse of structures. It has gradually become a general practice for engineers to consider progressive collapse resistance in their design. In this paper, progressive collapse of steel frames with composite floor slabs is simulated by the finite element method. The numerical results are compared with test results. The influence of the joints and the concrete slabs on the effective tying of steel beams is investigated through parametric studies. From the analysis, methods of preventing progressive collapse that can be considered in design and when retrofitting existing structures are proposed. The results show that retrofitting a structure with pre-stressed steel cables and an increase of crack resistance in the concrete near joints can effectively improve effective tying of a structure, which results in an enhanced structural capacity in preventing progressive collapse.     

大跨度空间结构连续性倒塌研究方法与现状

大跨度空间结构的空间体量大、覆盖范围广,因而在遭遇非预期荷载作用并因局部失效诱致整体结构发生连续性倒塌时,会造成大量的人员伤亡和巨大的财产损失。国内外针对框架结构连续性倒塌事故的研究已比较成熟,形成了统一的设计指导思想和相应的设计规范,但针对大跨度空间结构连续倒塌的研究尚处于起步阶段。结合已有成果,对大跨度空间结构连续性倒塌研究所用的数值、试验和理论方法作出评述。数值模拟方面,分析了描述不连续位移场和冲击 碰撞等关键问题,并展望了多尺度数值计算方法在倒塌模拟上的应用;试验研究方面,借鉴已有试验,指出了大跨度空间结构倒塌试验中的破断触发和位移量测等关键技术;理论分析方面,总结了各类结构的抗倒塌机制、鲁棒性评价方法和简化评估方法。     

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。     

Study of the mechanics of progressive collapse of FPB isolated beam-pier substructures

The horizontal stiffness of the isolated layer is reduced substantially by a friction pendulum bearing (FPB) toprotectthe structure from potential damages caused by earthquakes. However, horizontal stiffness is essential to progressive collapse resistance of structures. This paper presents a simplified model to assess the progressive collapse response of beam-pier substructure isolated by FPB. Progressive collapse resistance by flexural action of the beam and additional resistance owing to the horizontal restraining force was achieved. The influences of the equivalent radius and friction coefficient of the FPB, the applied axial force on the FPB, and span-depth ratio of the beam on the additional resistance were investigated. Simulations were conducted to verify the proposed model. The results show that progressive collapse resistance provided by horizontal restraining can be reduced as large as 46% and 88% during compressive arching action (CAA) and catenary action (CA), respectively. The equivalent radius of the FPB shows limited effect on the progressive collapse response of FPB isolated structures, but friction coefficient and applied axial force, as well as depth ratio of the beam, show significant influences on the additional progressive collapse resistance capacity. Finite element method (FEM) results are in good agreement with the result obtained by the proposed method.     

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。     

Progressive collapse analysis of steel frames: Simplified procedure and explicit expression for dynamic increase factor

Progressive collapse refers to a phenomenon in which local damage in a primary structural element leads to total or partial structural system failure. When investigating the progressive collapse of structures, nonlinear dynamic procedures lead to more accurate results than static procedures. However, nonlinear dynamic procedures are very complicated and the evaluation or validation of the results can become very time consuming. Therefore, it is better to use simpler methods. For static analyses, the gravity force applied to the removed column bay should be multiplied by a constant factor of two. However, using a constant dynamic increase factor (DIF) is only appropriate for elastic systems. According to the optimal design of structures, the assumption of elastic behavior after column removal is conservative. Thus, it is necessary to establish an expression for DIF that considers inelastic responses. In this paper, a simplified analysis procedure for the progressive collapse analysis of steel structures is presented using the load displacement and capacity curve of a fixed end steel beam. The results of the proposed method are in good agreement with nonlinear dynamic analysis results. Also, the capacity curve, obtained by dividing the accumulated area under the nonlinear static load displacement curve by the corresponding displacement of the column removed point, is used to predict the progressive collapse resistance of the column removed structure. Finally, an explicit expression for the DIF is established for elastic-perfectly plastic and elastic plastic with catenary action behavior.     

多层钢框架连续倒塌性能的有限元分析

为了探究运用有限元方法分析计算多层钢框架连续倒塌性能的准确性和可靠性,为后续的倒塌分析工作奠定基础,以某2层钢框架-组合楼板体系抗倒塌试验为例,运用通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型。为准确模拟钢框架结构的结构构件组成、构件间的约束和受力情况、钢框架的初始破坏和倒塌破坏等过程,详细介绍相关的有限元建模技术、参数取值、材料失效准则等,并运用该方法进行有限元模型验证。结果表明：建立的有限元模型能够准确模拟结构的动力响应和构件的破坏模态,从而能够准确地分析计算多层框架的连续倒塌性能。     

基坑悬臂排桩支护局部失效引发连续破坏机理研究

虽然已有很多基坑连续倒塌破坏的工程案例,局部破坏可能导致的连续垮塌规模和造成的后果也越来越大,但是由局部破坏发展为大规模连续破坏的机理还少有研究,也缺乏针对基坑连续破坏的控制方法和设计理论。以排桩支护的长条形基坑为例,采用显式有限差分法、离散元法及模型试验对局部支护结构失效情况下的基坑进行了模拟,对基坑土压力的重分布和支护结构受力的变化规律进行了分析和相互对比验证,初步揭示了连续破坏在基坑长度方向上的传递机理,提出了荷载传递系数的概念,即临近破坏第一根桩内力的提高倍数,并发现其是决定基坑是否发生连续破坏的重要因素。土体强度越高,荷载传递系数越高。在局部破坏发生之后很短时间内,未破坏部位土压力和结构受力迅速升高达到最大值。排桩顶设置的连续冠梁可以降低传递系数,对提高基坑支护结构抗连续破坏能力有重要作用。     

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。     

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。     

基于抗连续倒塌性能的张弦梁结构撑杆构型与数值验证

针对传统张弦梁结构冗余度低、易发生连续性倒塌的特点,引入变换荷载路径法改进撑杆构型,提出了一种交叉撑杆构型的张弦梁结构体系。以某体育馆张弦梁结构为原型,建立了新型撑杆构型的张弦梁结构基准模型。通过优化撑杆交叉角度、交叉节点位置等参数,得到了多个具有新型撑杆构型的张弦梁结构模型,并采用有限元方法对其承载力与抗连续倒塌性能进行了分析。结果表明：经合理设计,新型撑杆构型的张弦梁结构与传统张弦梁结构在刚度、承载力等方面较为接近,且新型撑杆构型的张弦梁结构承载力与撑杆交叉节点的位置有关;当中间索失效时,下撑杆能代替失效索为结构提供有效的传力路径,且交叉角度较大时新型撑杆构型的张弦梁结构抗连续倒塌性能更好;当边索失效时,交叉撑杆构型的张弦梁结构的竖向位移均较传统张弦梁结构的大幅减小,其抗连续倒塌性能更加优良。     

考虑多重不确定性的我国多层#br# 冷成型钢结构地震风险评估

准确评估建筑结构的地震风险是实现其性能化抗震设计的重要组成部分。冷成型钢结构体系作为绿色和工业化建筑的典型代表,却鲜有针对于我国的地震风险评估研究。文章旨在分析和评估多层冷成型钢结构抗震分析所涉及的多重不确定性因素,进而定量评估该类结构在我国的地震风险。文章设计1栋八度抗震设防的6层冷成型钢结构,基于经过振动台验证的简化数值分析方法建立结构的简化数值模型,定量求解结构的多重不确定性因素和在使用周期内(50年)的地震风险。研究结果表明：由于我国一些地区的地震危险性形状系数较大,在考虑多重不确定性后,结构的破坏概率显著提高,50年使用周期内倒塌概率的增幅达到10倍以上;算例结构在50年使用周期内基本满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求,对于个别特殊区域应适当控制结构发生轻微破坏的概率。此外,文章建议应全面考虑多重不确定对冷成型钢结构地震风险的影响,对不确定性参数的取值和地震风险的计算方法可提供借鉴。     

意外荷载作用下建筑结构抗连续性倒塌分析

本文对建筑结构连续倒塌的原因进行分析,探讨意外荷载作用下建筑结构连续性倒塌的分析方法,提出确定失效构件位置的原则,对竖向承重构件失效后荷载的施加范围做了调整。在此基础上,对6层的钢筋混凝土框架结构进行了连续性倒塌分析。分析结果表明,按我国现行规范设计的钢筋混凝土框架结构抗倒塌能力不足。底层内柱失效后,结构存在较大的连续...