钢筋混凝土多层框架结构抗连续倒塌分析.pdf

浙 江建 筑 ， 第 2 9卷 ， 第 4期 ， 2 0 1 2年 4月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，V o 1 2 9，N o 4，Ap r 2 0 1 2 钢筋混凝土 多层框架 结构抗连续倒 塌分 析 An a ly s i s o n p r e v e n t i o n o f p r o gr e s s i v e c ol l a p s e o f mu l t i s t or e y s t e e l r ei n f o r c e d c on c r e t e f r a me s t r u c t u r e 葛 晓梅 GE Xi a o m e i ( 杭 州市建筑设计研究院有限公司 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 0 1 ) 摘 要： 在 国内外关于结构抗连续性倒塌的研究 现状及 主要成果基 础上 ， 总结 了结构抗连 续性倒 塌设 计方法 ， 运 用 P K P M软 件作为计算 手段 ， 采用拆除构件法对钢筋混凝土框架结构进行抗连续性倒塌能力研究 。 关键词 ： 偶 然荷载 ； 连续性倒塌 ； 钢筋混凝土框架； 拆 除构件法 中图分类号 ： T U 3 7 5 4 文献标 志码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 83 7 0 7 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 1 0一 O 3 1连续倒塌的概念 结 构 连续 倒 塌 是 指 在 特 定 类 型 的 偶 然 荷 载 作 用 ( 比如 爆 炸 、 撞 击 等 ) 发 生 时 或 发 生 后 ， 结 构 发 生 局部 破坏 ， 这种 破 坏 从 结 构 初始 破 坏 位 置 沿构 件 进行传 递 ， 造成 与初 始 破 坏 不 相 匹配 的大 范 围破 坏 甚至整 个 建筑 物倒 塌 。连续 倒 塌 一 旦 发 生 ， 一 般会 造成很 严 重 的人 员 伤 亡 和 财产 损 失 ， 并 产 生 恶 劣 的 社会 影响 。因而 ， 越来 越 受 到 公 众 的关 注 和 研 究 者 的重 视 。 国外 已对 结构 的抗 连续性 倒塌 进行 了长 期 的研 究 ， 并制定 了相 应 的设计 规 范 。我 国新 出版 的 混凝土结构设计规范 ( G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0) 也新增 了防连续 倒 塌设计 原则 这一 章节 。防连续倒 塌设 计 是 混凝 土结 构设计 中需 要考 虑 的 因素 。 2连续倒 塌的分 析方法 目前 连 续倒塌 分 析 的方 法 主要有 ： 拆 除构件 法 、 局 部 加 强 法 、 构 造 设 计 法 以 及 连 续 倒 塌 仿 真 分 析 一 引。 拆 除构 件法 通过 有选择 性 的移 除一根 或几 根 主 要 的竖 向受 力构 件 ， 模 拟 偶然 作 用 对 建 筑 物 的直 接 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 20 2 作者简 介： 葛 晓梅 ( 1 9 7 8 一 ) ， 女 ， 河北邢台人 ， 工程师 ， 从事结构设计工作 。 主要破 坏 ， 然 后 分析 剩 余结 构在 自重 和 外 部 荷 载作 用下 的 内力 重分 布 ， 检 查 结 构 构件 或 连 接 超 出设 计 承载力 后 的破坏 和 整 体结 构 的倒 塌 敏感 性 ， 以此来 评价结 构抵 御连 续倒 塌 的能力 。 局 部加强法是 对 多条 传力 途径 交 汇 的关键 部 位 和可能引发大 面积倒塌 的重 要构件 ， 通过提 高安全 储 备和变形 能力 ， 直接考虑偶然 作用 的影 响进行设计 。 构造设 计法 是 通过构 造措 施来 加强 结构 的连 续 性 和延性 ， 维持 结构 的稳 定性 。 目前 ， 各 国研 究人 员 对构 造措 施法 的研 究集 中在 分析结 构拉 结体 系对 结 构 的连接 性 、 延 性 和冗 余 度 的 影 响 。拉 结 体 系是 指 通 过设 置水平 和垂 直 拉 结 筋 ， 有 效 地将 结 构 连 接 在 一 起 ， 增 加连 续性 和延性 ， 使 结构 具 有 “ 搭 桥 ” 能 力 。 结 构 的某一 竖 向承 重构 件 破 坏 时 ， 其 上 的 水平 构 件 中的拉杆通过拉索悬链线作用 ， 改变原传力路径 ， 使 荷载由其相邻构件承担 ， 从而限制破坏的发展 ， 提高 结 构 的抗连续 倒 塌能力 。 连 续倒 塌仿 真综合 运 用 固体 力学 理论 和非 线性 有 限元 数值 分析 技 术 ， 对 结构 连续 倒 塌 过 程 进行 模 拟仿真 ， 了解 连续 倒塌 破坏 的全 过程 ， 为结 构抗 连续 倒 塌设 计提 供依 据 。 第 4期 葛晓梅 ： 钢筋混凝土多层框架结构抗连续倒塌分析 3 钢筋混凝 土多层框 架结构抗连续倒塌 分 析 笔者 应用 中国建筑 科学 研究 院开发 的 P K P M 程 序 ， 建立 了平 面钢 筋混 凝土 框架 结构 模 型 ， 采 用拆 除 构 件 法 ， 将 框架 的 中柱 、 边 柱 和 角 柱 分 别 移 除 ， 通 过 S A T WE有 限元 进行 弹 性分 析 ， 得 出构件 配 筋 和位 移 的数值 ， 通过对数值的变化特征进行对比分析 ， 总结 出框 架结 构不 同部 位柱 的缺 失 给整体 带来 的影 响大 小 。并 运用 此 分析 方法 ， 对柱 距 、 抗震 设 防烈 度等 因 素进 行分 析 。 3 1 框 架模 型的 建立 框架 信息 ： 平 面 开 间 为 6 0 0 05=3 0 0 0 0 m m， 进 深 为 6 0 0 03=1 8 0 0 0 m m， 框架 高度 为 3 0 0 0 4=1 2 0 0 0 m m， 柱截 面尺 寸 4 0 0 m m x 4 0 0 m m， 主 梁 截 面尺寸 3 0 0 m m 5 0 0 mm， 次 梁截 面 尺寸 2 5 0 m m 4 0 0 mm， 板厚 1 1 0 mm。见 图 1 。 图 1 构 架 结构 平 面 布 置 图 材料信息 ： 混 凝土 强度 等级 C 3 0 ， 容重 2 6 k N m ， 弹性模量 E = 3 0 X 1 0 MP a ， 泊松 比0 3 ， 材料强度 采 用标 准 值 ； 钢 筋 容 重 7 8 k N m ， 弹 性 模 量 E = 2 1 0 G P a ， 梁 柱 纵 筋 和 箍 筋 以 及 板 配 筋 为 H R B 4 0 0 ， 钢筋强度采用极限值。 荷载信息 ： 楼 面活荷 载标准值 为 2 0 k N m ， 不 上 人屋面活荷 载为 0 7 k N m ； 楼面恒 荷载 为1 5 k N m ( 包 括面层 、 顶 棚 自重 ， 板 、 梁 、 柱 自重 由程 序 自动计 算) ， 屋面恒荷载为 3 k N m 。考虑框架隔墙重量和结 构装饰层的重量折算为梁上线荷 载7 k N m。地震作用 按 7度 0 1 g 。基本风压暂不考虑 。 组合系数 ： 恒荷载分项系数为 1 2 ， 活荷载组合 系 数和 分项 系数 分别 为 0 7和 1 4 。 3 2 计 算分析 ( 1 ) 分 别 拆 除 底 层 中 柱 边 柱 和 角 柱 ( A 4 一A 6 ， B 4 一 B 6 ) ， 在 拆 除底 层 中柱 B 4 ( B轴 交 4轴 ) 后 ， 结 构 在 竖 向荷 载 作 用 下 ， 与失 效 柱 紧 邻 的 柱 B 3 、 B 5 、 A 4 、 C 4的位 移和 配筋 都发 生 了较 大 的 变化 ， 见 图 2 。 可见 ， 失效 柱退 出工作 后 其 内力 基 本 由与 其 紧邻 的 柱承担 ， 离失效柱越远 ， 其 内力和变形越小 。因此 ， 与失效 柱 紧邻 的柱及 与 其相 连 的梁在 柱失 效后 是结 构 进行 内力 传 递 和重分 布 的关键 构件 。防连续 倒塌 设 计 时 ， 增 强失 效柱 周边 构件 的承 载 能力 和延性 ， 如 采 用 通 长 配 置配 筋 ， 使 楼板 和 梁 充 分 发挥 其 悬 链效 应 ； 采用超静定结构体系， 提高结构的冗余度 ， 发展新 的传力机制 ， 将柱破坏后释放的荷载成功传递到相邻 受力 构件上 。使结构具有 多个荷 载传递 路径 ， 对于提 高结 构 的抗 连续倒塌 能力具有 十分重要 的意 义 。 图 2拆 除底 层 中 柱模 型 分 析 图 在 了解 了传 力机 制是 以失 效柱 为 中心 向外传 播 后 ， 我们就很容易理解拆除中柱， 结构抗连续性倒塌 能力 较 强 ； 边 柱次 之 ； 角柱 最差 。这 一结 论也 被前 人 的仿 真 分析 和模 型试 验所 证实 。 ( 2 ) 将 柱 网 间距从 49 r n ， 每 增 加 0 5 m 做 一 个模 型 ， 将底 层某 个 固定位 置 的柱拆 除 ， 计算 结构 发 生 的最 大位 移 量 ， 见 图 3 。根 据 最 大 位 移 和跨 度 的 比值 结果 相 比较 ， 得 知 梁 跨 度 对结 构 抗 连 续 性 倒 塌 能力 有很 大影 响 。跨度 为 4 6 m时 ， 位移 比值 变 化 均匀 、 缓 和 ， 说 明在 小跨 度 的情况 下 结构 比较 容易 寻 找新的传力路径 ； 跨度 大于 68 m时 ， 位移 比值增 大 的速度 加快 ； 跨 度 大 于 8 9 l l q 时 ， 位 移 比值 迅 速 增 大 ， 说 明大 跨度 的结 构 ， 对 于抗 连 续性倒 塌 是很 不 利 的 ， 应 该引 起足 够 的重视 。 ( 3 ) 结 构 的抗震 设 防烈 度 对 抗 连续 性 倒 塌 性 能 有影响 ， 抗震设 防烈度每提高一度 ， 框架结构的含钢