钢筋混凝土空间框架结构抗连续倒塌机制研究.pdf

第 43 卷 第 9 期 2013 年 5 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 9 May 2013 钢筋混凝土空间框架结构抗连续倒塌机制研究 * 熊进刚， 吴赵强， 邹园， 何以农， 聂晓霞 ( 南昌大学建筑工程学院，南昌 330031) 摘要进行了两个 3 层、 4 2 跨的钢筋混凝土空间框架模型的连续倒塌试验， 模型 1 的初始失效柱是底层长边 中柱， 模型 2 的初始失效柱是底层角柱。模型不考虑抗震要求， 以机械千斤顶替换初始失效柱， 通过机械千斤顶的 分级卸载模拟柱的初始失效。观测并分析了两个试验模型的抗力-位移曲线、 结构受力机制及结构抗连续倒塌能 力。分析表明， 对于模型 1， 结构抗连续倒塌机制包含梁机制和悬链线机制; 对于模型 2， 结构抗连续倒塌机制仅为 梁机制。 关键词空间框架;连续倒塌;梁机制;悬链线机制 中图分类号: TU375. 4文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 09- 0105- 04 Research on progressive collapse mechanism of RC spatial frame structures Xiong Jingang，Wu Zhaoqiang，Zou Yuan，He Yinong，Nie Xiaoxia ( School of Architectural Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China) Abstract: Progressive collapse experiments were carried out for two，( 4 2) -bay and 3-storey reinforced concrete ( RC) spatial frame models，which were designed without seismic demand The middle of long side column and the corner column of the bottom floor，respectively in model 1 and model 2，were replaced by mechanical jacks to simulate the initial damage Resistance-displacement curve，load transferring mechanism and progressive collapse resistance of the two models were analyzed It is concluded that progressive collapse resistance consists of beam mechanism and catenary mechanism in model 1 Only beam mechanism plays a part in resisting progressive collapse in model 2 Keywords: spatial frame;progressive collapse;beam mechanism;catenary mechanism * 国家自然科学基金项目( 50968012) 。 作者简介: 熊进刚， 博士， 教授， Email: xiongjingang ncu edu cn。 0引言 因突发事件的作用， 建筑结构直接的局部失效 引起构件连锁失效而造成整个结构或大部分结构倒 塌的现象称为连续倒塌。连续倒塌可分为水平连续 倒塌和竖向连续倒塌。 水平连续倒塌: 局部构件失效后， 结构主要在水 平荷载或作用下发生连续倒塌， 如水平地震下结构 的连续倒塌; 竖向连续倒塌: 局部构件失效后， 结构 主要在竖向荷载或作用下发生连续倒塌。本文的研 究就是针对竖向连续倒塌。抗震设计加强了结构的 整体性和延性， 对抗连续倒塌是有益的 1， 2， 位于地 震高烈度区的结构通常具有较高的抗连续倒塌能 力， 但非抗震区的钢筋混凝土框架结构， 无需进行抗 震设计， 这类结构的抗连续倒塌能力可能较低。现 有研究主要关注连续倒塌的分析与设计方法 3- 5， 有关结构体系的连续倒塌试验研究相对较少 6， 7。 结构连续倒塌具有空间特性， 结构冗余度对其有重 要影响， 空间结构较平面结构更能反映连续倒塌的 受力机制。本文进行了两个非抗震设计的钢筋混凝 土空间框架结构模型的竖向连续倒塌试验， 获得了 对结构抗力-位移曲线、 受力过程和抗倒塌机制等性 能的认识。 1试验方案 两个试验模型均为 3 层、 4 2 跨钢筋混凝土空 间框架， 其原型为 8 层框架结构， 不考虑抗震要求， 按我国现行规范设计， 取其下部 3 层作为试验模型， 缩尺比例为 1 /3。模型每层层高约 1 100mm， 框架 梁、 柱截面尺寸及配筋如图 1 所示。模型框架通过 地脚螺栓固定在实验室地面。试验模型楼板厚度仅 为 30mm， 制作不便， 且本文主要针对竖向连续倒 塌， 楼板相对于框架梁、 柱来说， 抗倒塌作用相对较 小， 因此模型不含楼板， 模型实体见图 2。两个试验 模型的尺寸、 材料强度、 配筋数量等参数均相同， 但 初始失效柱的位置不同: 模型 1 初始失效柱是底层 长边中柱 A3( 轴与轴?交线处的柱， 柱编号方式 余同) ， 模型 2 初始失效柱是底层角柱 C5。模型制 作时， 采用串接的机械千斤顶和力传感器替换底层 初始失效柱( 失效柱也称替代柱) 。在柱顶， 通过电 液伺服千斤顶施加恒定竖向压力， 以模拟柱顶所受 轴力。模型 1 中， 柱顶加压力的有 A2， A3， A4 和 B3 的 4 个柱。模型 2 中， 在柱顶加压力的包括 C5， B5 和 C4 的 3 个柱。 建筑结构2013 年 图 1层 1 3 梁、 柱截面尺寸和配筋 图 2模型实体 试验观测内容和测点布置如下: 失效柱端部布 置位移计以观测其竖向位移， 柱底和柱顶布置与千 斤顶相连的荷载传感器以观测压力大小， 与失效柱 相连梁的梁端截面纵筋粘贴钢筋应变片以观测梁端 纵筋应变， 与失效柱相邻框架柱的柱端表面粘贴混 凝土应变片以观测框架柱轴向应变。 2主要试验结果 以 F 表示初始失效柱柱顶电液伺服千斤顶的 恒定压力( 模型 1 为 110. 8kN， 模型 2 为 70. 2kN) ， R 表示柱底机械千斤顶的支承反力， 则抗力( 抗倒塌 能力) 为 P = F R。 图 3， 4 分别为模型 1， 2 实测结 构抗力 P 和替代柱竖向位移 之间的关系曲线。 图 3 表明， 模型 1 的工作状态可以分为 4 个阶段: 弹性阶段( OA 段) : 结构抗力与失效柱竖向位 移基本呈线性关系。A 点对应抗力为 24. 3kN， 竖向 位移为 4. 00mm。 弹塑性阶段( AB 段) : 此阶段， 随着失效柱竖向 位移的增大， 与失效柱相连梁的梁端受拉纵筋应变 逐渐加大。到 B 点时， 应变最大的受拉纵筋开始屈 服， 形成首个塑性铰。B 点对应抗力为 79. 4kN， 竖 向位移为 18. 71mm。 塑性铰发展阶段( BC 段) : 此阶段， 与失效柱相 连梁的梁端受拉纵筋陆续达到屈服， 其他塑性铰也 陆续形成， 梁机制发挥抗倒塌作用。到 C 点时， 与 失效柱相连梁的所有梁端均已形成塑性铰， C 点对 应抗力为 105. 1kN， 竖向位移为 86. 02mm。 复合机制阶段( CD 段) : 梁端截面塑性铰区域 受压区混凝土逐渐达到极限压应变， 受压区混凝土 逐渐压碎而退出工作， 梁端受弯承载力逐渐降低， 梁 机制逐渐减弱; 随梁端截面转角增大， 悬链线机制逐 渐增强。梁机制和悬链线机制共同起抗倒塌作用， 本文称之为复合机制作用。到 D 点时， 失效柱竖向 位移为 171. 02mm， 柱底机械千斤顶反力为零( 抗力 P 与上部压力 F 相等， 为 110. 8kN) ， 千斤顶与柱底 脱离， 将千斤顶移开， 结构未倒塌。这个阶段， 与失 效柱相连的横向框架梁和纵向框架梁， 受力情况有 所不同: 纵向框架梁内受拉屈服的钢筋继续被拉伸 延长甚至进入强化阶段， 原来受压的钢筋也逐渐转 为受拉， 表明悬链线机制发挥了作用; 横向梁近似悬 挑， 仅通过梁机制作用提供抗力， 原受压钢筋未出现 拉力。 图 3模型 1 的抗力-位移关系 图 4模型 2 的抗力-位移关系 图 4 表明， 模型 2 的工作状态可以分为如下 4 个阶段: 弹性阶段( OA 段) : 结构的变形为线弹性， 没有 出现裂缝。抗力与替代柱竖向位移基本呈线性关 系， 结构的裂缝在 A 点之后才开始出现。A 点对应 的竖向位移为 4. 10mm， 抗力为 17. 2kN。 弹塑性阶段( AB 段) : 梁端弯曲裂缝逐渐延伸， 梁端纵筋应变逐渐增大， 到 B 点时， 与角柱相连的 梁端受拉纵筋开始屈服， 首个塑性铰形成。B 点对 应的竖向位移为 16. 23mm， 抗力为 34. 7kN。 601 第 43 卷 第 9 期熊进刚， 等 钢筋混凝土空间框架结构抗连续倒塌机制研究 塑性铰发展阶段( BC 段) : 与角柱相连梁的梁 端受拉纵筋陆续达到屈服， 其他塑性铰陆续形成， 结 构依靠梁机制抵抗上部压力， 但柱底机械千斤顶存 在较大反力， 未与柱底脱开。到 C 点时， 与角柱相 连梁的所有梁端均形成塑性铰， 梁机制作用达到最 大值。柱底机械千斤顶反力为 27. 9kN， C 点对应竖 向位移为 42. 16mm， 抗力为 42. 3kN。 倒塌阶段( CD 段) : 随着梁端塑性铰转角的增 大， 受压区混凝土应变逐渐达到极限压应变， 混凝土 逐渐压碎剥落而退出工作， 与角柱相连梁的梁端逐 渐失去抗弯能力， 结构抗力逐渐下降。柱底机械千 斤顶反力有一定增加。如将柱底机械千斤顶强行拆 除， 结构将倒塌。 对比图 3， 4 可以看出， 模型 1 与模型 2 的不同 之处主要体现在第 4 阶段。对模型 1 而言， 由于与 长边中柱相连的梁有悬链线的作用， 结构抗力在 C 点之后仍有继续提高的趋势， 结构未发生倒塌。而 对于模型 2， 角柱失效后因不能形成悬链线作用， 仅 依靠梁机制作用， 结构抗力在 C 点后开始降低， 结 构有倒塌风险。 3抗连续倒塌机制分析 3. 1 模型 1 抗连续倒塌机制 模型 1 结构存在两种抗倒塌机制: 梁机制和悬 链线机制。在塑性铰发展阶段， 梁端截面钢筋屈服， 当结构有较好的延性时， 将通过内力重分布， 使其他 梁的截面也进入塑性铰。假定梁的各个截面同时屈 服， 同时出现塑性铰， 各个截面所承担的弯矩为 Mp， 结构依靠梁机制来承担上部的荷载， 如图 5 所示。 梁机制的承载力 Pb可表示为失效柱上方各楼层梁 端产生塑性铰时梁截面 所 承担 的 极 限 剪 力 之 和 Mp/L，即: Pb1= 3 4Mp1/L1( 1) Pb2= 3 2Mp2/L2( 2) Pb= Pb1+ Pb2( 3) 式中:Pb1和 Pb2分别为纵向框架和横向框架梁机制 的承载力; Mp1和 Mp2分别为纵向框架梁和横向框架 梁的受弯承载力( 塑性铰弯矩) ;L1和 L2分别为纵 向框架梁和横向框架梁的跨度。 此后， 如果上部压力 F 比梁机制所能提供的承 载力 Pb还要大， 则结构进入梁机制和悬链线机制共 同承担上部荷载的复合机制阶段。悬链线机制如图 6 所示， 只有贯通节点的梁才能提供有效拉结力， 对 于长边中柱初始失效的情形， 纵向框架梁可形成悬 链线作用， 而横向框架梁( 失效柱对横向框架梁而 言是边柱) 不能形成悬链线作用。悬链线机制承载 力 Pc计算公式为: Pc= 3 2Tsin( 4) 式中:T 为悬链线拉结力; 为梁端截面转角。 图 5模型 1 梁机制 图 6模型 1 悬链线机制 随着梁端转角的继续增大， 梁端受压区混凝土 开始压碎， 梁端受弯承载力下降， 梁机制提供的抗力 逐渐减小， 但悬链线机制承载力继续增大， 梁端受压 区钢筋压应力逐渐减小并转为受拉， 梁端受拉区钢 筋应变继续增大甚至进入强化阶段。在某一状态， 梁机制和悬链线机制共同提供的抗力达到最大值 Pu。如果上部压力 F 小于 Pu，则结构具备抗倒塌能 力， 反之则具有连续倒塌风险。在上部荷载作用下， 结构继续变形， 梁端受压区混凝土压碎脱落， 梁机制 作用迅速降低直至消失， 悬链线机制作用增强并转 化为完全依靠悬链线机制承担上部荷载。梁纵筋拉 应力逐渐增大直至达到极限抗拉强度或锚固失效， 此时悬链线机制提供的抗力 Pc达到最大值。若上 部荷载 F 小于 Pc，则结构具备抗倒塌能力， 若大于 Pc，则结构最终发生倒塌。 当仅考虑图 5 所示的梁机制时， 按式( 1) ( 3) 计算的梁机制承载力 Pb为 76. 9kN， 小于上部施加 的压力 110. 8kN。因此仅靠梁机制不足以抵抗倒 塌， 结构进入梁机制和悬链线机制共同承担上部荷 载的复合机制阶段。当仅考虑图 6 所示的悬链线机 制时， 按式( 4) 计算的悬链机制极限承载力 Pc= 68. 2kN， 同样小于上部施加的压力 110. 8kN， 仅靠悬 链线机制也不足以抵抗倒塌。 在梁机制和悬链线机制共同承担上部荷载的复 合机制阶段， 结构的抗倒塌承载力并不是梁机制承 载力 Pb和悬链线机制承载力 Pc 的简单相加， 也就 是说 抗 倒 塌 承 载 力 Pu并 不 是 76. 9 + 68. 2 = 145. 1kN。因为在此阶段， 随着变形的发展， 梁机制 承载力逐渐降低， 悬链线机制承载力逐渐提高， 两者 701 建筑结构2013 年 是在不断变化， 但并不是同时达到各自的最大值。 在某一状态， 梁机制和悬链线机制共同提供的抗力 达到最大值 Pu， Pu可表示为: Pu= Pb + Pc( 5) 式中 Pb 和 Pc分别是梁机制和悬链线机制提供的 抗力， 可分别表示为: Pb = bPb( 6) Pc = cPc( 7) 式中:b是梁机制承载力的折减系数;c是悬链线 机制承载力的折减系数。 这两个折减系数都与梁端转角 有关。关于折 减系数 b ， c与梁端转角 的关系， 或者说梁机制、 悬链线机制发挥作用的程度与框架梁塑性变形能力 之间的关系， 笔者正在研究并将另文讨论。 梁机制和悬链线机制要发挥作用， 均要求框架 梁有较好的塑性变形能力( 梁端转角 足够大) 。 对于梁机制而言， 在保证梁端截面塑性弯矩 Mp的 前提下， 梁端转角 越大， 维持梁机制的时间就越 长。同时， 由式( 4) 知， 梁端转角 越大， 悬链线机 制也越大， 则复合机制提供的抗倒塌能力 Pu就随 的增大而提高。 模型 1 在复合机制作用阶段( CD 阶段) ， 当失 效柱竖向位移值达到 171. 02mm 时， 柱底机械千斤 顶反力为零， 柱底机械千斤顶与结构脱开， 表明结构 自身抗力足以抵抗上部压力 F，无需柱底机械千斤 顶提供支承， 结构具备抗倒塌能力。 3. 2 模型 2 抗连续倒塌机制 角柱失效时， 由于角柱部位缺乏贯通钢筋的拉 结， 不能产生悬链线机制， 只有梁机制起作用， 如图 图 7模型 2 梁机制 7 所示。梁机制的承载力 Pb可表示为: Pb1= 3 2Mp1/L1( 8) Pb2= 3 2Mp2/L2( 9) Pb= Pb1+ Pb2( 10) 根据试验模型参数， 可计算得到 Pb= 48. 7kN， 与试验实测的最大抗力 42. 3kN 接近。角柱柱顶通 过电液伺服千斤顶施加的竖向压力 F 为 70. 2kN， 超 出梁机制的最大抗力， 因此存在倒塌风险。 模型 2 在倒塌阶段( CD 阶段) ， 柱底机械千斤 顶仍存在较大支承反力， 表明结构抗力不足以抵抗 上部压力 F，需柱底机械千斤顶提供支承。如将柱 底机械千斤顶强行拆除， 结构将倒塌。 4结论 ( 1) 结构连续倒塌试验中， 空间模型较平面模 型更能充分反映结构抗连续倒塌机制。 ( 2) 对于本文底层长边中柱初始破坏的情况， 连续倒塌机制从梁机制转换到梁机制与悬链线机制 共同作用的复合机制， 抗连续倒塌能力是由梁机制 和悬链线机制共同提供。在纵向框架方向， 由于破 坏柱位置的框架梁是连续的， 梁机制和悬链线机制 同时发挥作用; 而在横向框架方向， 由于破坏柱位置 的框架梁是悬挑的， 仅由梁机制发挥作用， 而不能形 成悬链线机制。 ( 3) 对于本文底层角柱初始破坏的情况， 连续 倒塌机制仅为梁机制， 不能形成悬链线机制， 抗连续 倒塌能力仅由梁机制提供。 ( 4) 本文试验模型没有考虑楼板的作用， 实际 结构中， 楼板对抗连续倒塌是有利的， 特别是对于悬 链线机制， 更能提高其抗力和变形能力。对于水平 荷载作用下的抗倒塌问题， 楼板还起到传递和分配 水平力的作用， 因此， 在进行结构连续倒塌的数值模 拟时， 分析模型中应将楼板考虑进去。 参考文献 1 江晓峰， 陈以一 建筑结构连续性倒塌及其控制设计 的研究现状J 土木工程学报， 2008， 41( 6) : 1- 8 2 XIONGJINGANG，ZHENGYONGKANG，CAI GUANMIN， etalAnalysisonprogressivecollapse resistance of reinforced concrete frame structuresC/ / 1st International Conference on Civil Engineering，2011: 717- 723 3 叶列平， 陆新征， 李易， 等 混凝土框架结构的抗连续 性倒塌设计方法J 建筑结构， 2010， 40( 2) : 1- 7 4 TALAATMOHAMED，MOSALAMKHALIDM Modelingprogressivecollapseinreinforcedconcrete buildings using direct element removalJ Earthquake Engineering and Structural Dynamics， 2009， 38( 5) : 609- 634 5 KFIR MENCHEL， THIERRYJ， MASSART， etal Comparison and study of different progressive collapse simulation techniques for RC structuresJJournal of Structural Engineering，2009， 135( 6) : 685- 697 6 MEHRDADS， SERKANSProgressivecollapse resistance of hotel San DiegoJ Journal of Structural Engineering，2008， 134( 3) : 478- 488 7 易伟建， 何庆锋， 肖岩 钢筋混凝土框架结构抗倒塌性 能的试验研究J 建筑结构学报，2007， 28( 5) : 104- 109 801