非線性動力工況下底框結構 抗連續倒塌性能研究
時間:2024-01-08 單位（部門）:銅煤公司 作者:劉晨(十五項目部) 點擊:載入中...
摘要：對按我國現行規范設計的一棟帶轉換梁的建筑結構，采用拆除構件法進行抗連續倒塌性能分析。結果表明: 結構底層不同構件中，抗倒塌能力從強到弱依次為內部柱、邊柱、角柱;以角柱為研究對象，分析不同位置下角柱抗倒塌能力從強到弱依次為頂層、轉換層、底層;以轉換層為研究對象，分析轉換層不同構件抗連續倒塌能力從強到弱依次為邊柱、角柱、內部柱。針對上述3種情形，提出不同的應對措施，以提高結構抗連續倒塌能力。
關鍵詞：非線性動力;抗連續倒塌;底框結構;拆除構件法
1引言
在當今世界各種建造技術逐漸成熟的情況下，結構的發展越來越迅速，逐步走向了復雜高聳化。但是人們也越來越關注建筑使用安全等一系列問題。目前，大中城市高層結構是主要的建筑形式，這類建筑中人員多、垂直交通路徑長、出現緊急事件后人員疏散困難，出現安全事故的概率很高，而且會帶來不可挽回的經濟損失。
目前對于框架結構抵抗連續倒塌的研究比較成熟，但是很少有人涉及帶轉換層結構的連續倒塌問題。比如在美國聯邦大廈倒塌事故中，就是因為轉換層的破壞而引起的整體失效，而且國內城市轉換層結構占高層建筑的27%。而且，轉換層結構的下部多為公共場所如商場、寫字樓、辦公樓，所以對梁式轉換層的研究至關重要，在帶有轉換梁的建筑結構抗連續倒塌研究中提出有價值的理論依據，對今后的工程實踐中有重要作用。
自1968年Ronan Point公寓發生倒塌以來，國外關于建筑物連續倒塌問題的研究一直沒有中斷[1 - 5]，但我國在這方面的研究起步較晚。
陸新征和江見鯨[6]使用ANSYS/LS-DYNA模擬分析了911恐怖襲擊中被播音747撞塌的世界貿易中心。通過模擬研究人員找到了倒塌的內在真實原因;陸新征、李易等[7]綜合分析對比了線性和非線性以及動力靜力兩種倒塌研究方法，驗證了線性靜力方法在倒塌研究中的可靠性，缺點是只能模擬底層簡單結構的倒塌狀態，沒有考慮到材料的非線性狀態和P-?效應，非線性動力分析方法可以真實準確的模擬高層復雜結構在倒塌過程中的內力響應，但是模擬過程復雜且耗時較長;張雷明，劉西拉[8]分別對摔落地面的梁以及一榀門架進行了有限元模擬，提出了用混合鉸桿模型在建筑構造抗連續倒塌模擬試驗中代替梁來使用;于山[9]等人 基于宏觀建筑的結構總面積和層高層數的影響，提出了改變傳力路徑和拉力桿件連接系統相結合的設計方法。
現代高層建筑向著功能多樣的綜合性方向發展，在同一座建筑中，沿房屋高度方向建筑功能要發生變化，上部樓層做旅館、住宅，下部樓層做商店、餐館等，這就需解決上部小開間結構向底部大開間結構的轉換問題，為此，采用“底部抽柱，托梁轉換”的技術，形成所謂的底部抽柱帶轉換梁的結構[10]。底部柱支承著轉換大梁，對建筑結構的安全至關重要，為探討在突發事件時底部柱的失效是否會引起在結構的連鎖破壞而造成整個結構或大部分結構倒塌問題，本文結合一工程實例，對此進行分析，并提出了相關應對措施。
2工程概況
該建筑1、2層為商場，3-6層為住宅。框架結構，轉換層結構在第二層。采用梁托柱結構，3層以上柱距縮小。首層結構標高3.9米，轉換層層高4.5米，3層以上各層層高3米，建筑總高度20.4米，構件信息如表1所示;框架結構梁柱采用C35混凝土，樓板部分各構件均采用C30混凝土,縱向受力鋼筋均采用HRB400級箍筋均采用HPB300級，平面布置如圖1所示;結構為丙類建筑，場地類別為Ⅱ類，抗震設防烈度為7度，地震分組為第 1 組;樓面恒載4.5k N/ m2，屋面恒載 6.0k N/ m2;樓面活載 2.0k N / m2，屋面活載 0.5k N/ m2;各樓層隔墻荷載 6.0k N/m,地面粗糙度為C類[11]。
表1構件信息
(a)首層及轉換層平面布置 (b)轉換層以上平面布置
圖1各層結構梁柱平面布置
3抗連續倒塌性能分析方法
抗連續倒塌性能分析采用SAP2000進行，分析模型如圖 2。分析方法采用摘除構件法，分析工況使用非線性動力分析工況。底框結構連續倒塌判別準則參照GSA[17]規定如表2所示。
表2 破壞準則
拆除構件法先假設某根結構柱發生偶然荷載破壞，然后進行剩余結構的內力分析，通過非線性和線性兩種方法判斷剩余結構是否發生倒塌，該方法可以有效的判斷剩余結構的冗余度和抗倒塌力是否安全，分析剩余構件的備用傳力路徑是否連貫。非線性動力分析模擬的真實性最高但是耗時較長，不利于實際工程分析;線性靜力分析簡便快捷，但是需要引入動力放大和內里折減系數，適用于10層樓以下的結構。對于普通框架結構分析中，線性靜力法沒有考慮到材料的非線性屬性以及P-?效應[18]，無法考慮到大變形階段結構的倒塌情況，所以使用線性靜力法僅僅針對構件的梁機制進行抗倒塌設計，不能得出結構在大變形下懸鏈線機制的工作原理。
GSA,2003[15];DOD,2010[16]采用內力折減系數和動力放大系數分別考慮上述兩個因素的影響，如圖2.1所示。DOD2005[13]對于動力放大系數取值為2.0，本文認為對于當今建筑結構來說太過于保守，因為現在建筑冗余度和安全儲備都比較高。所以文本認為系數選取可以介于1-1.5之間，本文選取1.3作為動力放大系數施加在特殊區域。
圖2 整體結構3D模型
采用 SAP2000，按備用荷載路徑法進行抗連續倒塌分析，分析步驟如下:
(1)建立拆除長邊中柱后的模型如圖2所示，并且在失效構件節點處施加原構件的軸力P=1376.752KN。
采用軟件默認的塑性鉸，M3鉸分別插入構件梁的兩端中，PMM鉸插入在柱的頂部和底部，塑性鉸彎矩轉角[14]曲線如圖3所示。
設定非線性動力分析時程函數曲線如圖4所示，構件的失效時間T0=0.068s。
施加荷載：線荷載為7KN/M,面荷載為LOAD=DL+0.25LL。
設定非線性靜力工況為下一動力工況的初始工況。
圖3 塑性鉸彎矩轉角曲線
圖4 RAMOTH波時程曲線
4 分析結果
4.1 底層長邊中柱拆除工況
當荷載加至上述設計荷載時，被“刪除”單元上部區域有多根梁進入塑性狀態，結構變形及塑性鉸分布如圖5所示，出于簡便，圖6給出了失效柱單榀框架的塑性鉸分布。被“刪除”單元上部區域的構件的最大豎向位移為99.62mm，包括轉換梁在內有多根梁的塑性鉸達到或接近圖3曲線的 C點，失效柱頂點位移時程曲線如圖7所示。通過θ=1.27°<6°判斷結構不會發生連續倒塌。
圖5 失效結構整體塑性鉸分布
圖6 一榀框架塑性鉸分布
圖7 失效節點位移時程曲線
4.2 底層內部柱拆除工況
當荷載加至上述設計荷載時，被“刪除”單元上部區域有構件進入塑性狀態，節點位移最大值為32.59mm，最終位移為30.38mm，結構內力重分配時間為1.6s。由于θ=arctan32.59/4500=0.41°<6°。所以結構趨于安全狀態，不會發生連續倒塌。失效節點處位移時程曲線如圖8所示。其塑性鉸分布情況如圖9所示。
圖8 失效節點時程曲線
圖9 X向塑性鉸分布
4.3 底層角柱拆除工況
當拆除底層角柱時，在RAMPTH波的影響下，角柱頂點最大位移為結構失效節點處位移最大值為145.5mm，3s后結構穩定。彎矩最大值為32.41KN·M。失效時間取0.0688s，位移時程曲線及彎矩時程曲線如圖10所示。
θ=arctan145.5/4500=1.85°<6°結構不會發生連續倒塌現象。該工況下塑性鉸分布具體情況如圖11所示。剩余構件內力值如表3所示。
表3剩余構件內力值
圖10 失效節點處位移時程曲線
圖11 X向塑性鉸分布
4.4 轉換層角柱拆除工況
通過時程分析可知，在非線性工況下轉換層角柱失效后，柱端節點最大位移為87.46mm，通過計算可知θ=1.11°，該值滿足GSA2003規定，不會發生連續倒塌事件。節點位移時程曲線如圖12所示。
圖12 失效節點位移時程曲線
拆除構件后，剩余結構彎矩圖及DCR(能力需求比)情況如圖13所示。
圖13 能力需求比及彎矩圖
4.5 頂層角柱拆除工況
結構失效節點處位移最大值為61.70mm，6s內結構未趨于穩定狀態。彎矩最大值為32.41KN·M。失效時間取0.0688s，位移時程曲線及彎矩時程曲線如圖14所示。
θ=arctan61.70/4500=0.79°<6°，不會發生連續倒塌現象。
圖14 失效節點位移時程曲線
5提高措施
通過對不同層不同位置構件的拆除分析,從構件的重要性角度來分析，首層結構構件抗連續倒塌能力從大到小依次為內部柱、角柱、短邊中柱，對比圖如圖15所示。
從同一樓層不同構件的角度來看，在設計時對于構件材料強度以及配筋方面的優先順序上文的抗倒塌能力，即抗倒塌能力越弱，其構件強度應該加強，應考慮配置強度更高的鋼筋和混凝土。
選取同一構件為研究點進行不同樓層抗連續倒塌能力對比，得出這樣結論：選取角柱位置，其不同樓層抗倒塌能力從強到弱依次為頂層>轉換層>首層，如圖16所示。
通過不同樓層對比分析，在設計方面可以優先考慮抗倒塌能力較弱的樓層進行加強設計對角柱而言，與其直接相連的梁只有兩根，所以相比于邊柱和內部柱，它的抗連續倒塌能力最弱。這是傳統框架結構的構件抗力對比，但是轉換層結構其復雜的傳力機制和特殊的結構布置，使其的內力重分布路徑與框架結構大不相同。
圖15 首層各位置構件抗倒塌能力對比
圖16 角柱部位各層抗倒塌能力對比
6結語
對帶轉換梁的高層結構，底部柱支承著轉換大梁，對建筑結構的安全至關重要，在突發事件時底部柱的失效將會引起結構連續倒塌，因此，應重視其抗連續倒塌性能的研究，盡快建立適合我國情況的評價體系和設計方法。
結構的倒塌模擬中，更接近真實情況的一定是非線性動力工況，但是目前的非線性動力模擬方法分析過程復雜且耗時較長等原因使其僅僅試用于理論研究階段。由于現階段我國建筑業的高速發展，結構抗連續倒塌設計逐漸成為設計安全中考慮的主要因素，實際工程設計中迫切需要一種高效簡潔準確的模擬方法代替傳統的非線性動力分析方法。
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