组合楼板对空间钢框架结构的抗连续倒塌能力影响研究

采用GSA2003对规则钢框架结构抽柱的位置建议,模拟抽取角柱工况,分别从传力路径、剩余结构承载力储备角度对纯框架结构及含楼板结构进行了连续倒塌分析评估。并对两结构进行了非线性静力及动力分析,以期为钢框架结构抗连续倒塌研究提供一定参考依据。结果表明:在连续倒塌分析中,组合楼板能加速新传力路径的形成,降低剩余结构的竖向振动幅度,提高剩余结构承载力储备,改善钢框架结构抗连续倒塌性能;非线性动力分析较非线性静力分析耗时,建议可采用能力曲线代替结构抗连续倒塌动力分析。     

钢框架结构连续倒塌分析评估方法研究

基于GSA规范中的静力线弹性法对5跨6层平面钢框架结构的抗连续倒塌性能进行初步分析评估;根据组件单元法建立考虑节点受力的钢框架模型,分别采用动力非线性法和静力非线性法对结构进行连续倒塌分析。结果表明:静力线弹性法的分析结果偏保守,可用于对结构抗倒塌性能的初步分析评估;静力非线性法和动力非线性法的评估结果一致,可用于对结构抗倒塌性能的进一步精确分析评估,但静力非线性法不能准确反映剩余结构的受力状态。基于三种方法的分析结果和特点,提出钢框架结构连续倒塌分析评估流程。     

基于楼板双向受拉模型的钢框架结构连续倒塌分析

组合楼板作为钢框架结构的主要构件,对结构的抗连续倒塌能力产生较大影响,但现有的结构抗连续倒塌研究大多没有考虑楼板的影响。基于组合楼板的双向受拉模型,分析组合楼板在钢框架结构连续倒塌过程中的受力,提出考虑楼板拉结力作用的失效点竖向承载力简便计算方法。基于简化模型,通过有限元分析软件进行框架连续倒塌分析,验证计算方法的准确性,探讨楼板对塑性铰机制、极限承载力、失效点动态反应的振幅和周期的影响。研究表明,楼板能有效地提高结构抗连续倒塌性能。     

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。     

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。     

模块化装配式钢结构抗连续倒塌性能评估方法研究

结构发生连续倒塌的机理比较复杂,国内外目前为止没有统一的结构抗连续倒塌性能评估标准。文中参考日本《高冗余度钢结构倒塌控制设计指南》中的结构抗连续倒塌性能评估方法,对其性能评估指标进行了改进量化,并通过3个5层模块化装配式钢结构算例验证改进后评估方法对装配式钢框架结构的适用性。算例分析表明:平面去斜支撑钢框架、平面钢框架和空间钢框架竖向荷载作用下发生连续倒塌的可能性依次变大,该规律和理论分析一致,改进后的评估方法能够定量评估模块化装配式钢结构的竖向抗连续倒塌性能。利用改进后评估方法对国内某九层模块化装配式钢框架结构进行了竖向抗连续倒塌性能评估,评估结果表明该工程实例的抗连续倒塌性能满足要求。     

爆炸荷载下钢筋混凝土框架结构连续倒塌分析方法比较

运用显式动力有限元分析软件LS-DYNA建立了一个四层两跨钢筋混凝土框架结构的有限元模型,并对其施加爆炸荷载,在爆炸荷载仅引起结构关键柱失效的情况下,研究了不同比例距离爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动力响应及倒塌过程;同时采用美国国防部2009年出台的建筑物抗连续倒塌设计规范UFC 4-023-03中推荐使用的替代传力路径法对相同的四层钢筋混凝土框架结构进行了非线性动力连续倒塌分析。通过比较研究上述数值分析结果,揭示了UFC 4-023-03规范推荐使用的替代传力路径分析方法的不足,进而对考虑爆炸荷载作用的结构抗连续倒塌分析设计方法的改进提出了设想。研究结果表明:通过引入爆炸荷载放大系数来考虑爆炸荷载作用的影响具有更广的适用范围。     

多层中心支撑钢框架结构抗震性能简化评估方法

中心支撑钢框架结构是一种典型的双重抗侧力体系,在强震作用下支撑失效会引发结构承载力和刚度的折减,其复杂的恢复力模型使得此类结构抗震性能的评估成为难点。为解决该问题,提出了多层中心支撑钢框架结构储备体系参数的概念及其计算方法,即通过对中心支撑钢框架结构进行推覆分析,将结构转化为等效单自由度体系,同时确定整体结构体系失效过程,进而确定储备体系和储备参数。结合中心支撑钢框架结构延性需求谱,建立了考虑能力储备的多层结构抗震性能简化评估方法,即"能力储备法",该方法可有效评估中心支撑钢框架结构体系抗倒塌性能、延性与变形。采用该方法分析了2个5层中心支撑钢框架结构的抗震性能,并与非线性时程分析结果进行对比。分析表明,能力储备法可对多层中心支撑钢框架结构层间延性和顶点位移进行较准确的预测。     

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。     

结构力流分析与传力效率评估研究

为研究荷载在结构内部的传递机理,实现对结构传力效率的定量评估,以薄壳结构为研究对象,提出了结构力流分析方法和传力效率评估方法。基于现有结构力流分析方法,针对薄壳结构的几何形态及受力特点,以平面传力路径法为基础推导了空间传力路径计算公式,并引入弯曲应变能比来反映薄壳面外弯矩的影响,建立了适用于薄壳结构力流分析的改进传力路径法。在此基础上,综合考虑力流长度和传力形式两方面因素,提出了等效力流长度的概念,定义了无量纲化的结构传力效率系数,解决了薄壳结构传力效率难以定量分析的难题。通过对典型薄壳结构的力流分析与传力效率评估,验证了所提方法的适用性和有效性,分析了结构几何参数、荷载作用形式以及边界条件等因素对结构传力效率的影响。研究结果表明：改进的结构力流分析方法能够从整体上揭示结构的工作机理,增进了对结构工作性能的本质认识,有助于从整体上优化结构设计;基于传力效率系数的结构传力效率评估符合结构概念,是一种有效的结构评估手段。     

某活动中心抗连续倒塌评估分析

按我国现行《建筑结构抗倒塌设计规范:CECS392∶2014》[1]拆除构件法的要求,选取某活动中心易遭到撞击、爆炸等偶然事件袭击的1层角柱、周边柱作为敏感构件,对敏感构件拆除失效后的中央锥体钢结构子结构进行抗连续倒塌评估分析,得出如下结论:拆除敏感构件后,剩余结构形成新的传力路径,结构内力发生重分布,弯矩内力图保持连续;中央锥体结构冗余度较高,不会发生连续倒塌;种植屋面恒荷载较大,较多杆件超过钢材屈服应力,易发生连续倒塌。工程中应对重载屋面连续倒塌引起足够重视。     

钢框架结构鲁棒性评估方法

结构鲁棒性体现了结构对局部破坏的不敏感性。为了定量评估钢框架结构的抗连续倒塌能力,提出一种适用于钢框架结构的鲁棒性定量评估方法。在综合考虑构件在结构能量流分布中的贡献和构件失效影响面积的基础上,给出构件重要性系数计算方法,为确定结构的最不利初始损伤模型奠定基础。探讨钢结构构件的承载能力冗余度,并结合构件应变能灵敏度,提出一个基于损伤模型的钢框架结构冗余度评估指标,该指标与构件的承载能力冗余度成正比,而与构件的应变能灵敏度成反比。从定义上对结构冗余度与结构鲁棒性之间的差异进行讨论,提出以结构最小冗余度作为评价结构鲁棒性能的观点。在此基础上,给出一种适用于钢框架结构的鲁棒性评估方法,同时对该方法的适用范围进行分析。最后,通过一个8层空间钢框架结构算例验证所提出的钢框架结构鲁棒性评估方法的可行性。     

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。     

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     

张家界马戏城主馆带悬挂子结构的弦支穹顶屋盖抗连续倒塌分析与评估

张家界马戏城主馆屋盖是国内少见的带有大质量悬挂子结构的弦支穹顶屋盖,对其屋盖进行抗连续倒塌性能评估,先对结构进行了杆件敏感性分析,确定结构重要构件,然后采用替换路径法分别拆除弦支穹顶、子结构的重要构件,对屋盖结构进行了非线性动力分析。结果表明：拉索及支座处径向桁架下弦杆是整个屋盖的重要构件;拆除外圈环索引起的结构整体响应最剧烈,拆除靠近支座径向桁架下弦杆会引起结构较明显的局部响应;子结构中,悬挂于径向桁架上弦的矩形格构柱沿柱截面失效,会使楼面梁局部变形过大,所有拆除工况均不会引起屋盖结构的倒塌;该带悬挂子结构的弦支穹顶钢屋盖冗余度高,具有较强的抗连续倒塌性能。     

考虑楼板效应的钢框架结构连续倒塌分析

基于抽柱法对GSA2003建议的角柱失效、边柱失效及内柱失效三种工况对一钢框架结构进行了连续倒塌模拟。通过对比不同失效时间这三种工况下剩余结构竖向位移时程曲线、静力及动力荷载作用下抗力提高系数曲线来探究楼板对结构抗连续倒塌能力的影响。以1/10剩余结构竖向自振周期T_2/10为失效时间,探究在抽柱后,楼板对剩余结构传力路径的影响作用。结果表明:失效时间越短,纯框架结构振动响应越明显,含楼板结构仅在角柱失效工况下失效时间对结构振动响应影响明显;以T_2/10可较好的反映构件失效后剩余结构动力响应,忽略楼板作用可能低估结构抗连续倒塌能力,边柱失效及内柱失效工况下楼板对结构抗连续倒塌能力改善较明显;通过抗力提高系数R可知,失效时间较长时,动力分析与静力分析结构比较接近,可采用静力分析代替动力分析;楼板加速结构新传力路径的形成,提高了结构整体稳定性,提高了结构的抗连续倒塌能力。     

基于楼板薄膜效应的钢框架抗连续倒塌研究

组合楼板作为钢框架结构的主要构件,在支撑柱失效情况下能产生很大的挠度,进而产生薄膜效应影响结构的抗连续倒塌性能。通过研究楼板挠曲悬链线阶段组合楼板薄膜效应对多层钢框架抗连续倒塌性能的影响,分析组合楼板在连续倒塌过程中的受力,提出考虑楼板薄膜效应的结构承载力计算方法。通过有限元分析软件进行框架连续倒塌分析,验证计算方法的准确性,探讨楼板对塑性铰发展、结构极限承载力、失效点位移的影响。研究表明:组合楼板能显著提高结构的抗连续倒塌性能。     

地下框架结构遭内爆炸冲击下的抗连续倒塌研究

在爆炸冲击荷载下,地下框架结构的动态响应是一个复杂的非线性过程。本文首先介绍了模拟连续倒塌的3种方法(即替代传力路径法、直接模拟法和三阶段模拟法)和本文所采用的数值模型;其次,本文运用LS-DYNA显式动力分析软件相关功能,建立钢筋混凝土的三维分离式模型(钢筋和混凝土的连接采用共节点方式),将本文采用的三阶段模拟法与直接模拟法、替代传力路径法对比分析,验证了本文方法的合理性及有效性;再次,具体阐述未做防护的地下结构在爆炸荷载作用下的倒塌机理,并为防护提供一定的理论指导;最后提出了两种防护措施(改变梁的箍筋间距),并对比两种防护措施的防护效果,通过对比可以为抗爆设计提供一定的设计依据。计算结果表明:在爆炸荷载下,未做防护的结构破坏十分严重,并最终连续倒塌,做防护的结构整体性完好,没有发生连续倒塌。     

基于能量方法的RC框架结构连续倒塌抗力需求分析II：悬链线机制

悬链线机制下的连续倒塌抗力需求计算是RC框架结构大变形阶段抗连续倒塌设计的关键。现有规范方法没有考虑非线性动力效应对该阶段抗力需求的影响,因而导致不安全的设计结果。根据RC框架结构基于能量平衡原理的抗连续倒塌抗力需求分析的理论框架,推导了RC框架结构在悬链线机制下抗连续倒塌子结构及其构件的非线性动力抗力需求与非线性静力抗力需求之间的关系,建立了RC框架结构悬链线机制下连续倒塌抗力需求计算的理论方法。通过数值算例验证了本文方法能够正确描述RC框架在悬链线机制下的连续倒塌抗力需求关系。     

贵阳201大厦抗连续倒塌分析

以贵阳201大厦为例,采用MIDAS软件对其子结构的敏感构件进行线弹性拆杆分析,采取控制截面边缘最大应力的简化判定准则,考察杆件1～4共4种单杆失效工况下结构抗连续倒塌能力。对杆件1,2均失效后的子结构进行静力非线性分析,验证框架作为子结构第二道防线的可行性。研究结果表明,在不同敏感构件失效情况下,子结构整体具有多种传力路径,能实现内力重分布,有较高的冗余度;子结构框架能作为第二道防线,结构整体具有较高的抵抗连续倒塌能力。