基于不确定性的钢框架结构抗连续倒塌评估

为评估钢框架结构的抗连续倒塌性能,考虑了结构初始破坏位置和材料参数不确定性,建立了随机Pushdown非线性评估方法。选用重要性抽样、分层拉丁超立方抽样技术与MATLAB中MBC标准模型工具箱相结合,设计了100组评估样本模型。采用ABAQUS对其进行有限元分析,基于对数正态分布模式,得到了失效区域外荷载级数K与梁柱塑性转角θ的结构倒塌超越概率函数。采用美国规范DoD 2016和FEMA-356中以梁柱塑性转角θ对结构破坏程度的划分标准,分别提取结构的各个性能水平的超越概率,绘制结构的倒塌易损性曲线,建立了概率评估系统,为钢框架结构的抗连续倒塌失效概率评估提供参考依据。     

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。     

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。     

钢支撑对多层钢框架结构抗连续倒塌鲁棒性影响研究

为研究钢支撑对钢框架结构抗连续倒塌鲁棒性的影响,制作了两个1/2缩尺的二层钢框架子结构,其中一个框架布置钢支撑,另一个为纯框架。试验采用位移控制的Pushdown加载方式,对多层钢框架的抗力机制、内力变化以及破坏模式进行研究。试验结果表明：布置钢支撑后,钢框架子结构的初始刚度和极限荷载分别提升129.7%和45.1%,明显提高了钢结构抗连续倒塌的鲁棒性;由于受压支撑在加载初期就开始发生局部屈曲,较早失去承载能力,钢支撑的抗力贡献主要由受拉支撑提供。通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA进一步研究了钢支撑布置位置及其截面尺寸对钢框架抗连续倒塌性能的影响,分析结果表明：增大钢支撑的截面尺寸可以明显提高钢框架的承载力,但会降低其变形能力;将钢支撑布置于失效柱上层或顶层时对钢框架的加固效果较好;由于去柱楼层的不确定,建议将钢支撑布置于顶层对框架抗倒塌更为有利。     

钢框架结构连续倒塌分析中荷载动力系数的研究

通过对单自由度体系在支座失效后质点动位移的理论分析,得到两跨连续梁在中间支座失效后的动力放大系数。运用ANSYS有限元分析软件,对具有相同结构平面布置的3层、6层和10层的多层框架,分别以边跨中柱和中间跨中柱失效作为初始破坏,进行了动力非线性分析和静力非线性分析,分别以失效柱顶部节点竖向位移、失效柱相邻柱的轴力为控制指标,得到静力非线性分析方法中动力增大系数的合理取值。比较结果显示：采用静力分析方法对结构抗连续倒塌的能力进行评估时,动力增大系数取2.0时较为保守,取1.6～1.8时能较好地与动力分析的峰值吻合。     

基于子结构的钢框架结构抗连续倒塌性能快速评估方法

目前常用于建筑结构抗连续倒塌性能评估的替代传力路径法由于需要建立复杂的结构整体模型,计算效率低。基于此,将子结构法与替代传力路径法相结合,建立钢框架结构抗连续倒塌性能快速评估方法。首先给出钢框架结构容许倒塌范围,并据此建立子结构的选取原则;基于固定界面模态综合法,提出子结构边界条件的模拟方法;最后给出钢框架结构连续倒塌判定准则,在子结构抗连续倒塌性能分析的基础上,建立整体结构抗连续倒塌性能评估方法。以2个5层钢框架结构为例,分别采用替代传力路径法与所提出方法对其进行抗连续倒塌性能分析。结果表明:所提出的方法计算结果可靠,且能显著提高计算效率,可实现对整体结构抗连续倒塌性能的快速评估。     

采用优化方法进行钢框架抗连续倒塌设计

采用结构优化方法设计钢框架,提高其对临界柱突然拆除而引起的连续倒塌的抵抗性能。利用美国UFC规范抗连续倒塌设计中建议的线性静力、非线性静力或非线性动力分析方法,采用构件拆除法获得结构抗连续倒塌性能。以某9层3跨规则钢框架平面模型为例,优化构件尺寸使总用钢量最小,并满足AISC抗震规范和UFC规范抗连续倒塌的要求。结果表明:无论采用哪种分析方法,最小用钢量抗震设计都不能明确考虑连续倒塌且不能满足构件拆除法的要求。采用线性静力方法进行抗连续倒塌设计最保守,效果最差。相比而言,若以UFC抗连续倒塌允许值为标准,只要模型和计算过程正确,非线性静力和动力分析能使设计更经济。     

爆炸荷载作用下钢框架结构连续倒塌分析

传统数值方法模拟建筑结构在爆炸荷载作用下的结构响应和连续倒塌时,具有计算模型复杂、计算量大的特点,实际应用价值不大。基于将爆炸荷载作用下结构响应分析分两步进行的数值模拟方法,利用非线性显式动力分析软件AUTODYN的Remap技术模拟爆炸波在空气中的传播过程,利用压强测点记录结构构件表面的爆炸压强时程曲线;建立结构精细化有限元模型,并将上一步记录的爆炸压强时程曲线施加于结构构件,利用LS-DYNA显式求解器分析结构在爆炸荷载作用下的动态响应和倒塌过程。将该方法应用于某钢框架结构在爆炸荷载作用下的动态响应和连续倒塌分析。结果表明：钢框架结构具有较好的抗爆性能,在发生1000kg TNT当量及以下规模的室外爆炸时,主体结构能够保证安全;在发生1500kgTNT当量及以上大规模爆炸时,发生次梁塌落等局部破坏,亦可能发生结构连续倒塌。     

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。     

钢框架结构连续倒塌的能量流

给出多层建筑物基于能量的连续倒塌评估方法,从能量流的角度分析钢框架结构的连续倒塌。该文引入基于能量的构件评估方法,并与传统的荷载-变形方法进行比较;讨论了能量流分析法在解释地震事件中的优势。从整体看来,只有当动能通过结构全部耗散时,建筑物才不会倒塌,达到稳态构型。否则,残余动能会导致结构继续倒塌。传统建筑物中,动能通过转化为结构构件的变形能而耗散,构件在失稳前能够消耗一定的能量。与地震作用相比,动力荷载作用下柱的变形能能够更好地作为稳定性指标。能量流分析法可用于典型钢结构的倒塌评估。     

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。     

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。     

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。     

钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌能力评估

对某钢筋混凝土框架结构底层柱发生突然破坏后结构整体的破坏过程进行了数值模拟,评估不同局部破坏位置、不同局部破坏程度时结构可能发生的破坏情况,评价既有建筑物抵抗连续倒塌的能力.结果表明:根据现有规范设计的7度抗震钢筋混凝土框架结构,底层单一柱破坏后结构仍具有较好的整体性,结构没有倒塌;损伤局限在破坏柱所在跨内,但各框架柱...     

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...     

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。     

装配整体式混凝土框架结构抗连续倒塌试验研究

节点连接的破坏和失效显著影响装配整体式混凝土框架结构在连续倒塌大变形下的抗力机理、破坏模式和变形能力。为研究装配整体式混凝土框架结构的抗连续倒塌性能,设计了3个1/3缩尺的两跨梁柱子结构试件,开展了拟均布加载下的静力连续倒塌试验和理论计算分析。包含1个现浇对比试件RC和2个采用不同梁柱纵筋连接方式的装配整体式试件PC,即梁钢筋通过机械套筒连接和锚固板锚固、柱钢筋通过半灌浆套筒连接的试件,梁钢筋通过90°弯折锚固、柱钢筋通过约束浆锚连接的试件。试验发现：由于后浇区混凝土强度的提高,装配整体式试件的压拱机制峰值荷载较现浇对比试件分别提高22.9%和20.2%;拟均布加载下,梁最终变形呈曲线,该变形模式下节点需要提供更高的转动能力才能保证梁整体变形满足T/CECS 392—2021《建筑结构抗倒塌设计标准》的挠度要求;在悬链线峰值荷载时相邻跨梁提供的水平约束能有效限制边柱的水平变形和装配式试件的坐浆层滑移。理论计算表明,装配整体式试件的压拱作用的倒塌抗力贡献率低于现浇对比试件,其原因是边柱坐浆层滑移削弱了梁端约束,进而降低了压拱机制承载力。采用能量原理评估了试件的动力倒塌抗力,由于压拱机制下的累积耗能能力较高,装配整体式试件的动力倒塌抗力分别比现浇试件提高了16.8%和18.8%。     

某预应力混凝土框架结构的连续倒塌有限元分析

为了分析某预应力混凝土框架结构抗连续倒塌性能,本文采用动力非线性分析方法应用显式动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA对一榀两层两跨的预应力混凝土框架厂房分别进行拆除底层角柱、底层中柱的连续倒塌数值仿真分析。通过数值分析分析得出:预应力混凝土结构的抗连续倒塌性能弱;对于预应力混凝土框架结构,拆除中柱的工况下比拆除角柱的工况下更容易发生连续倒塌;对于预应力混凝土框架结构抗连续倒塌性能的增强必须同时加强梁和柱的构造措施。     

钢框架结构连续倒塌若干问题探析

简述了钢框架连续倒塌的一般分析方法,并对如何选择关键构件进行了论述,分析了内力重分布情况,探讨了钢支撑和梁柱节点对连续倒塌分析的影响,为今后研究钢结构抗连续倒塌问题提供了参考依据。