非线性动力工况下底框结构 抗连续倒塌性能研究
时间:2024-01-08 单位（部门）:铜煤公司 作者:刘晨(十五项目部) 点击:载入中...
摘要：对按我国现行规范设计的一栋带转换梁的建筑结构，采用拆除构件法进行抗连续倒塌性能分析。结果表明: 结构底层不同构件中，抗倒塌能力从强到弱依次为内部柱、边柱、角柱;以角柱为研究对象，分析不同位置下角柱抗倒塌能力从强到弱依次为顶层、转换层、底层;以转换层为研究对象，分析转换层不同构件抗连续倒塌能力从强到弱依次为边柱、角柱、内部柱。针对上述3种情形，提出不同的应对措施，以提高结构抗连续倒塌能力。
关键词：非线性动力;抗连续倒塌;底框结构;拆除构件法
1引言
在当今世界各种建造技术逐渐成熟的情况下，结构的发展越来越迅速，逐步走向了复杂高耸化。但是人们也越来越关注建筑使用安全等一系列问题。目前，大中城市高层结构是主要的建筑形式，这类建筑中人员多、垂直交通路径长、出现紧急事件后人员疏散困难，出现安全事故的概率很高，而且会带来不可挽回的经济损失。
目前对于框架结构抵抗连续倒塌的研究比较成熟，但是很少有人涉及带转换层结构的连续倒塌问题。比如在美国联邦大厦倒塌事故中，就是因为转换层的破坏而引起的整体失效，而且国内城市转换层结构占高层建筑的27%。而且，转换层结构的下部多为公共场所如商场、写字楼、办公楼，所以对梁式转换层的研究至关重要，在带有转换梁的建筑结构抗连续倒塌研究中提出有价值的理论依据，对今后的工程实践中有重要作用。
自1968年Ronan Point公寓发生倒塌以来，国外关于建筑物连续倒塌问题的研究一直没有中断[1 - 5]，但我国在这方面的研究起步较晚。
陆新征和江见鲸[6]使用ANSYS/LS-DYNA模拟分析了911恐怖袭击中被播音747撞塌的世界贸易中心。通过模拟研究人员找到了倒塌的内在真实原因;陆新征、李易等[7]综合分析对比了线性和非线性以及动力静力两种倒塌研究方法，验证了线性静力方法在倒塌研究中的可靠性，缺点是只能模拟底层简单结构的倒塌状态，没有考虑到材料的非线性状态和P-∆效应，非线性动力分析方法可以真实准确的模拟高层复杂结构在倒塌过程中的内力响应，但是模拟过程复杂且耗时较长;张雷明，刘西拉[8]分别对摔落地面的梁以及一榀门架进行了有限元模拟，提出了用混合铰杆模型在建筑构造抗连续倒塌模拟试验中代替梁来使用;于山[9]等人 基于宏观建筑的结构总面积和层高层数的影响，提出了改变传力路径和拉力杆件连接系统相结合的设计方法。
现代高层建筑向着功能多样的综合性方向发展，在同一座建筑中，沿房屋高度方向建筑功能要发生变化，上部楼层做旅馆、住宅，下部楼层做商店、餐馆等，这就需解决上部小开间结构向底部大开间结构的转换问题，为此，采用“底部抽柱，托梁转换”的技术，形成所谓的底部抽柱带转换梁的结构[10]。底部柱支承着转换大梁，对建筑结构的安全至关重要，为探讨在突发事件时底部柱的失效是否会引起在结构的连锁破坏而造成整个结构或大部分结构倒塌问题，本文结合一工程实例，对此进行分析，并提出了相关应对措施。
2工程概况
该建筑1、2层为商场，3-6层为住宅。框架结构，转换层结构在第二层。采用梁托柱结构，3层以上柱距缩小。首层结构标高3.9米，转换层层高4.5米，3层以上各层层高3米，建筑总高度20.4米，构件信息如表1所示;框架结构梁柱采用C35混凝土，楼板部分各构件均采用C30混凝土,纵向受力钢筋均采用HRB400级箍筋均采用HPB300级，平面布置如图1所示;结构为丙类建筑，场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为7度，地震分组为第 1 组;楼面恒载4.5k N/ m2，屋面恒载 6.0k N/ m2;楼面活载 2.0k N / m2，屋面活载 0.5k N/ m2;各楼层隔墙荷载 6.0k N/m,地面粗糙度为C类[11]。
表1构件信息
(a)首层及转换层平面布置 (b)转换层以上平面布置
图1各层结构梁柱平面布置
3抗连续倒塌性能分析方法
抗连续倒塌性能分析采用SAP2000进行，分析模型如图 2。分析方法采用摘除构件法，分析工况使用非线性动力分析工况。底框结构连续倒塌判别准则参照GSA[17]规定如表2所示。
表2 破坏准则
拆除构件法先假设某根结构柱发生偶然荷载破坏，然后进行剩余结构的内力分析，通过非线性和线性两种方法判断剩余结构是否发生倒塌，该方法可以有效的判断剩余结构的冗余度和抗倒塌力是否安全，分析剩余构件的备用传力路径是否连贯。非线性动力分析模拟的真实性最高但是耗时较长，不利于实际工程分析;线性静力分析简便快捷，但是需要引入动力放大和内里折减系数，适用于10层楼以下的结构。对于普通框架结构分析中，线性静力法没有考虑到材料的非线性属性以及P-∆效应[18]，无法考虑到大变形阶段结构的倒塌情况，所以使用线性静力法仅仅针对构件的梁机制进行抗倒塌设计，不能得出结构在大变形下悬链线机制的工作原理。
GSA,2003[15];DOD,2010[16]采用内力折减系数和动力放大系数分别考虑上述两个因素的影响，如图2.1所示。DOD2005[13]对于动力放大系数取值为2.0，本文认为对于当今建筑结构来说太过于保守，因为现在建筑冗余度和安全储备都比较高。所以文本认为系数选取可以介于1-1.5之间，本文选取1.3作为动力放大系数施加在特殊区域。
图2 整体结构3D模型
采用 SAP2000，按备用荷载路径法进行抗连续倒塌分析，分析步骤如下:
(1)建立拆除长边中柱后的模型如图2所示，并且在失效构件节点处施加原构件的轴力P=1376.752KN。
采用软件默认的塑性铰，M3铰分别插入构件梁的两端中，PMM铰插入在柱的顶部和底部，塑性铰弯矩转角[14]曲线如图3所示。
设定非线性动力分析时程函数曲线如图4所示，构件的失效时间T0=0.068s。
施加荷载：线荷载为7KN/M,面荷载为LOAD=DL+0.25LL。
设定非线性静力工况为下一动力工况的初始工况。
图3 塑性铰弯矩转角曲线
图4 RAMOTH波时程曲线
4 分析结果
4.1 底层长边中柱拆除工况
当荷载加至上述设计荷载时，被“删除”单元上部区域有多根梁进入塑性状态，结构变形及塑性铰分布如图5所示，出于简便，图6给出了失效柱单榀框架的塑性铰分布。被“删除”单元上部区域的构件的最大竖向位移为99.62mm，包括转换梁在内有多根梁的塑性铰达到或接近图3曲线的 C点，失效柱顶点位移时程曲线如图7所示。通过θ=1.27°<6°判断结构不会发生连续倒塌。
图5 失效结构整体塑性铰分布
图6 一榀框架塑性铰分布
图7 失效节点位移时程曲线
4.2 底层内部柱拆除工况
当荷载加至上述设计荷载时，被“删除”单元上部区域有构件进入塑性状态，节点位移最大值为32.59mm，最终位移为30.38mm，结构内力重分配时间为1.6s。由于θ=arctan32.59/4500=0.41°<6°。所以结构趋于安全状态，不会发生连续倒塌。失效节点处位移时程曲线如图8所示。其塑性铰分布情况如图9所示。
图8 失效节点时程曲线
图9 X向塑性铰分布
4.3 底层角柱拆除工况
当拆除底层角柱时，在RAMPTH波的影响下，角柱顶点最大位移为结构失效节点处位移最大值为145.5mm，3s后结构稳定。弯矩最大值为32.41KN·M。失效时间取0.0688s，位移时程曲线及弯矩时程曲线如图10所示。
θ=arctan145.5/4500=1.85°<6°结构不会发生连续倒塌现象。该工况下塑性铰分布具体情况如图11所示。剩余构件内力值如表3所示。
表3剩余构件内力值
图10 失效节点处位移时程曲线
图11 X向塑性铰分布
4.4 转换层角柱拆除工况
通过时程分析可知，在非线性工况下转换层角柱失效后，柱端节点最大位移为87.46mm，通过计算可知θ=1.11°，该值满足GSA2003规定，不会发生连续倒塌事件。节点位移时程曲线如图12所示。
图12 失效节点位移时程曲线
拆除构件后，剩余结构弯矩图及DCR(能力需求比)情况如图13所示。
图13 能力需求比及弯矩图
4.5 顶层角柱拆除工况
结构失效节点处位移最大值为61.70mm，6s内结构未趋于稳定状态。弯矩最大值为32.41KN·M。失效时间取0.0688s，位移时程曲线及弯矩时程曲线如图14所示。
θ=arctan61.70/4500=0.79°<6°，不会发生连续倒塌现象。
图14 失效节点位移时程曲线
5提高措施
通过对不同层不同位置构件的拆除分析,从构件的重要性角度来分析，首层结构构件抗连续倒塌能力从大到小依次为内部柱、角柱、短边中柱，对比图如图15所示。
从同一楼层不同构件的角度来看，在设计时对于构件材料强度以及配筋方面的优先顺序上文的抗倒塌能力，即抗倒塌能力越弱，其构件强度应该加强，应考虑配置强度更高的钢筋和混凝土。
选取同一构件为研究点进行不同楼层抗连续倒塌能力对比，得出这样结论：选取角柱位置，其不同楼层抗倒塌能力从强到弱依次为顶层>转换层>首层，如图16所示。
通过不同楼层对比分析，在设计方面可以优先考虑抗倒塌能力较弱的楼层进行加强设计对角柱而言，与其直接相连的梁只有两根，所以相比于边柱和内部柱，它的抗连续倒塌能力最弱。这是传统框架结构的构件抗力对比，但是转换层结构其复杂的传力机制和特殊的结构布置，使其的内力重分布路径与框架结构大不相同。
图15 首层各位置构件抗倒塌能力对比
图16 角柱部位各层抗倒塌能力对比
6结语
对带转换梁的高层结构，底部柱支承着转换大梁，对建筑结构的安全至关重要，在突发事件时底部柱的失效将会引起结构连续倒塌，因此，应重视其抗连续倒塌性能的研究，尽快建立适合我国情况的评价体系和设计方法。
结构的倒塌模拟中，更接近真实情况的一定是非线性动力工况，但是目前的非线性动力模拟方法分析过程复杂且耗时较长等原因使其仅仅试用于理论研究阶段。由于现阶段我国建筑业的高速发展，结构抗连续倒塌设计逐渐成为设计安全中考虑的主要因素，实际工程设计中迫切需要一种高效简洁准确的模拟方法代替传统的非线性动力分析方法。
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