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。     

钢框架结构动力连续倒塌分析

采用可考虑塑性分布的梁柱单元模拟材料非线性,并建立了考虑初始变形的动力连续倒塌分析模型。通过对钢框架结构进行详细的连续倒塌分析,研究了底层柱失效时间对结构响应的影响和竖向荷载传力路径以及梁的受力机理,并对框架破坏后的连续倒塌状况进行了评估。结果表明,失效时间小于自振周期时,失效时间的长短对框架的动力响应有显著影响;局部破坏导致上部结构形成新的竖向传力路径,上部不平衡的竖向荷载由失效柱相邻的柱承担;结构在局部承重柱失效后上部梁中弯矩内力发生重分布现象,失效柱上方的梁端弯矩作用方向发生改变,且弯矩值明显增大。文中按我国规范设计的框架结构在单根柱失效的情况下不会发生连续倒塌。     

RC框架结构抗连续倒塌分析

参考美国规范,运用拆除构件法,基于SAP2000通用有限元软件．对一按照我国现行规范设计的RC框架结构进行抗连续性倒塌分析,分析了移除失效柱后,剩余框架柱柱轴力的变化趋势,对比分析了柱失效位置对结构抗连续性倒塌性能的影响,并研究了层高对结构抗连续性倒塌性能的影响．得出在不考虑地震荷栽作用时：角柱失效对结构影响最大;柱失效后,剩余结构的内力重分配只集中在失效跨内,失效点上方柱基本失去支撑作用;层高对结构抗连续性倒塌性能影响较小,建议结构层高取值在3．6m～4．2m之间。     

基于ABAQUS考虑柱对框架结构抗连续倒塌承载力影响的数值模拟

为了研究框架柱在框架结构抗连续倒塌过程中所起的作用和框架柱对框架结构抗连续倒塌的承载能力的影响,文章通过Qian K等进行的中柱失效的框架子结构拟静力试验,校核了论文中ABAQUS软件建立的框架子结构精细有限元分析模型的准确性。模拟所得的荷载位移曲线与试验曲线吻合良好,较好地模拟了中柱失效直至子结构破坏的全过程。在成功进行模型校核的基础上,通过改变平面框架边柱的柱高、轴压比,分析了边柱约束对所研究子结构抗连续倒塌承载力的影响;研究了框架梁柱线刚度比的差异对框架结构抗连续倒塌受荷机理的影响;并探讨了考虑框架柱的框架在中柱移除过程中的荷载转化路径和受荷机理。模拟表明框架柱在结构抗连续倒塌过程中作用明显,抗连续倒塌设计时要充分考虑框架柱的作用。     

汶川地震钢筋混凝土框架结构震害及对策

汶川大地震造成了部分钢筋混土框架结构的严重破坏和倒塌,震害包括结构的整体倒塌、部分倒塌、薄弱层倒塌、底层柱的柱顶和柱底的弯曲破坏、短柱的剪切破坏、框架梁端的弯曲破坏等等;此外原先抗震设计时不被注意的楼梯出现受拉破坏,有的甚至被拉断;填充墙是框架结构破坏严重的非结构构件。框架结构这些震害产生的原因多种多样,如实际地震影响烈度大大超过设计设防烈度、建筑的施工质量问题、设计不合理（刚度突变,强梁弱柱）,等等。在对倒塌破坏的框架的震害进行深入分析后,本文提出了解决框架结构抗倒塌的方法：加强柱的抗震设计、适当布置抗震墙、采用隔震或消能减震技术。楼梯设计时应考虑地震下楼梯受力情况,采用刚性连接时,要求计算出楼梯地震效应,并进行配筋;楼梯一端与结构采用滑动连接时,可消除楼梯地震作用下的内力,设计时可不考虑地震影响;加强结构填充墙抗震性能,确保罕遇地震下不致倒塌伤人。     

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。     

不同比例板式楼梯对RC框架结构抗地震倒塌能力的影响

既存RC框架结构房屋,14开间,设有2部板式楼梯,原设计遵循GBJ11-89《建筑抗震设计规范》,但结构整体计算未带楼梯.以此结构为原型,缩略若干标准开间,形成了14开间、10开间和7开间的3组模型.整体计算考虑带楼梯和不带楼梯两种情形,采用MSC.MARC有限元软件建立了6个算例,进行逐步增量时程分析,研究不同比例楼梯对RC框架结构抗地震倒塌能力的影响.结果表明：带楼梯计算相对于不带楼梯计算,结构整体抗地震倒塌能力的计算值增大,且楼梯比例越大,计算值增大越多;带楼梯计算时,楼梯将首先发生局部破坏甚至倒塌,早于结构整体倒塌,而楼梯间的框架柱亦成为结构中的薄弱部位.     

节点刚度对外伸端板连接钢框架结构抗连续倒塌性能的影响研究

为研究节点刚度对外伸端板连接钢框架结构抗连续倒塌性能的影响,本文利用ANSYS14.0建立两个6层平面钢框架的有限元模型,梁柱节点分别为刚性节点和半刚性节点,半刚性节点利用非线性弹簧单元Combin 39单元进行模拟。考虑材料非线性及几何非线性,采用备用荷载路径法对其进行非线性静力分析(采用Pushdown analysis)及非线性动力分析。结果表明:柱破坏时,与刚性节点平面钢框架相比,半刚性节点平面钢框架的塑性铰出现较晚,失效点竖向位移增大,结构的竖向承载能力降低,更易发生倒塌破坏,因此,进行外伸端板连接钢框架结构的抗连续倒塌分析时应考虑节点刚度的影响,否则会高估其抗倒塌能力,带来偏不安全的结果。     

火灾下柱失效对多层钢框架连续倒塌的影响

针对钢结构抗连续性倒塌分析中多数采用直接拆柱法,不能真实反映由于火灾引起钢结构发生连续性倒塌时的实际情况,用ANSYS有限元软件建立无楼板的多层钢框架模型,选取已有文献中角部区域不同失效柱个数的工况。采用热固耦合法,考虑火灾使柱失效和材料非线性、几何非线性进行分析。研究了火灾下钢框架结构抗连续倒塌性能及角部区域允许失效柱个数,并将分析结果与已有文献采用直接拆除法结果进行对比。结果表明:采用ANSYS中热 结构耦合功能,结合生死单元法能够较好模拟钢框架由于火灾导致结构发生连续性倒塌的过程;通过分析3种角部区域不同失效柱个数的工况结果,得出失效柱允许个数为3根;与现有文献采用直接拆除法的有限元分析结果进行对比,发现采用直接拆除法分析结果过于保守,考虑火灾导致柱失效更加贴近实际倒塌情况。     

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。     

混凝土框架结构楼梯参与计算的抗震性能研究及建议

通过对某框架结构实际工程的分析计算,得到了楼梯对框架结构抗震性能的影响和楼梯自身的抗震特性。结果表明,地震作用下楼梯参与计算时框架结构整体指标和楼梯周边构件内力变化很大,楼梯自身地震反应强烈。根据分析结果,提出了设计建议。     

框排架结构主厂房现浇楼梯对整体结构的影响及设计对策

通过工程实例分析了余热发电主厂房钢筋混凝土框排架结构形式中现浇楼梯参与分析时楼梯周边的梁、柱地震作用。计算结构表明,结构分析中计入楼梯对结构的自振周期、刚度分布及构件内力影响较大。结构中楼梯及周边构件将承担更多的地震力,楼梯处主体结构须考虑地震影响,在抗震条件下应增强构造要求。最后提出了楼梯结构抗震设计及构造措施。     

考虑楼梯影响的框架结构地震响应分析

汶川地震震害表明,楼梯间是结构的易损部位,新版抗震规范中强调了楼梯对于结构的重要性。为了分析楼梯对框架结构抗震性能的影响,应用SAP2000软件通过对比有无楼梯参与整体结构计算分析,得到了楼梯对整体结构自振特性、结构整体反应、多遇地震下梯板及其周边构件受力的影响以及罕遇地震下结构塑性铰的分布。结果表明,楼梯的存在改变了结构振型的出现顺序,使结构的扭转效应增强;楼梯间周围构件有楼梯参与计算后受力变化较大;地震作用下,梯板承受较大的轴力和剪力,应该按照拉(压)弯构件进行设计;罕遇地震下,有楼梯模型结构的塑性铰数量要明显多于无楼梯模型。因此,对于框架结构的设计有必要考虑楼梯的影响。     

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.     

火灾下钢筋混凝土平面框架结构受力机理分析

为研究火灾下钢筋混凝土框架结构的受力机理,采用梁单元建立了钢筋混凝土框架结构耐火性能有限元计算模型,考虑火灾位置、柱轴压比和梁配筋率等参数的影响,对火灾下钢筋混凝土框架结构的变形、内力重分布、破坏形态以及耐火极限进行了参数分析。分析结果表明,火灾下框架结构出现了整体破坏形态和局部破坏形态两种典型的破坏形态:当柱轴压比较小时,框架出现受火梁破坏导致的框架局部破坏形态;当柱轴压比和梁配筋率均较大时,框架出现受火中柱和受火边柱破坏导致的框架整体破坏形态,整体破坏形态为连续性倒塌破坏。在框架局部破坏形态条件下,三面受火梁在框架竖向分布位置不同,受约束作用不同,框架的耐火极限亦不同;而在框架整体破坏条件下,柱轴压比越大,耐火极限越小。     

Progressive collapse‐resisting capacity of modular mega‐frame buildings

In this study, the progressive collapse‐resisting capacity of modular mega‐frame structures consisting of a few identical subsystems was investigated based on column‐loss scenario. Four types of mega‐frame structures were designed as basic analysis model structures. According to pushdown analysis results, the mega‐frame structure with four corner columns did not satisfy the design guidelines for progressive collapse regardless of the number of subsystems when one of the first‐story mega‐columns was removed. To enhance the resistance against progressive collapse, we redesigned the basic model structure with four mega‐columns by adding additional floor trusses in the transfer floors, adding moment‐resisting frames at the perimeter and adding vertical mega‐bracing. The pushdown analysis results showed that the schemes with additional mega‐braces were most effective in increasing the progressive collapse‐resisting capacity of mega‐frame buildings. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

框架结构中楼梯的抗侧刚度分析

震害表明,框架结构中的楼梯会发生梯板拉断,梯梁剪断的破坏现象。通过对楼梯抗侧刚度的分析,采用等效刚度的方式,在整体模型中利用斜杆考虑楼梯的抗侧力作用,获得地震作用下梯板及梯梁的附加内力,从而对梯板及梯梁进行当的加强处理,防止楼梯震害的发生。     

预压装配式预应力混凝土框架边柱拆除时抗连续倒塌性能试验研究与理论分析

对一榀二层二跨预压装配式预应力混凝土(PC)平面框架进行了静力拆除底层边柱的试验及理论分析,探究了裂缝发展、变形能力、破坏模式及连续倒塌机理。根据试验框架达到极限承载力时的状态,提出了边柱失效时简化的结构抗力分析模型,并推导出结构抗倒塌极限承载力的计算方法; 基于能量法建立近似的动力响应评估模型,根据试验框架静力加载荷载-位移曲线近似得到其在边柱瞬时失效时的动力响应曲线。结果表明:框架的受力过程可分为弹性、弹塑性、塑性铰以及倒塌4个阶段; 加载时试件的混凝土裂缝开展及破坏集中在失效边柱相邻区域框架梁两侧梁端结合部,除失效边柱外,其余框架柱以及失效柱远离区域框架梁端基本完好; 框架在小变形阶段按梁机制受力,存在压拱效应及空腹效应; 在大变形阶段不能按悬链线机制受力,由梁的受弯机制和空腹机制共同抵抗不平衡荷载; 边柱失效时预压装配式预应力混凝土框架最大抗力达到60.9 kN,最终倒塌位移为430 mm,梁端转角为10.0°～15.3°,具有较好的抗连续倒塌能力。     

火灾全过程中高层钢框架结构抗连续性倒塌性能及控制措施

建筑内部火灾的发生、发展过程较为复杂,采用标准升温曲线会造成过于保守或偏于不安全的结果。为研究火灾升降温全过程中三维部分铰接钢框架结构（周边刚接、内部铰接）的抗连续性倒塌性能,分析火灾场景、防火等级和支撑布置对结构倒塌的影响。研究表明：钢框架结构是否倒塌主要受升温段持续时间的影响,倒塌模式呈现明显的侧移式和下沉式特点,倒塌时间可偏保守地取为钢柱温度达到550 ℃时对应的时刻,结构受火的严重程度与其构件的防火等级有关,较高的防火等级可以防止结构在升温段发生倒塌,但也可能导致结构在降温段倒塌;为防止框架梁端在升温段和降温段发生断裂,梁端受拉承载力应分别不低于梁屈服荷载的30%和100%。在实际设计中,建议在顶层整层布置水平支撑体系,并在周边和内部布置竖向支撑体系,以防止结构发生倒塌;建议在确定结构的耐火等级时,应考虑可能发生的火灾场景,尤其要重视“长时-低温受火”的危险性。