框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒

1、框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒第1頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四前言：一般來說，如果結(jié)構(gòu)的最終破壞狀態(tài)與初始破壞不成比例，即可稱之為連續(xù)倒塌。進(jìn)行連續(xù)性倒塌分析的目的是確定結(jié)構(gòu)抵抗偶然作用的能力，檢驗(yàn)當(dāng)某一個(gè)關(guān)鍵部位移除后荷載的重分布能力。結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析可分為兩類:連續(xù)倒塌評估和連續(xù)倒塌仿真。前者是指采用合適的分析方法及倒塌評價(jià)準(zhǔn)則對己有建筑或擬建建筑進(jìn)行連續(xù)倒塌分析，主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì);后者是對結(jié)構(gòu)倒塌的全過程進(jìn)行模擬。第2頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四1、連續(xù)倒塌分析方法目前抗連續(xù)倒塌分析的方法主要有：拆除構(gòu)件法、特殊荷載抵抗法、構(gòu)造設(shè)計(jì)法

2、以及連續(xù)倒塌仿真。特殊荷載抵抗法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析，是把偶然作用對結(jié)構(gòu)的影響量化成荷載載值大小，從而確定出分析中采用的荷載效應(yīng)組合以及荷載量值。構(gòu)造措施法是通過構(gòu)造措施來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和延性，維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。第3頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四構(gòu)造措施法的研究集中在分析結(jié)構(gòu)拉結(jié)體系對結(jié)構(gòu)的連接性、延性和冗余度的影響。拉結(jié)體系是指通過設(shè)置水平和垂直拉接筋，有效地將結(jié)構(gòu)連接在一起，增加連續(xù)性和延性，使結(jié)構(gòu)具有“搭橋”能力。結(jié)構(gòu)的某一豎向承重構(gòu)件破壞時(shí)，其上的水平構(gòu)件中的拉桿通過懸索作用在破壞構(gòu)件上方形成“橋”，改變原傳力路徑，將荷載由其相鄰構(gòu)件承擔(dān)，從而限制破壞的

3、發(fā)展，提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力。結(jié)構(gòu)的平面和豎向布置拉結(jié)體系能有效防止建筑物發(fā)生連續(xù)性倒塌，利用拉索的懸鏈線作用可大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗倒塌承載能力。下圖所示為框架結(jié)構(gòu)中，拉索懸鏈線作用的機(jī)理:第4頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四當(dāng)框架中的某根柱因偶然作用失效時(shí)，設(shè)置于樓板中的拉索發(fā)揮懸鏈作用，把原來由失效柱承擔(dān)的荷載向鄰近的柱子傳遞，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)重新分布荷載的能力。第5頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四連續(xù)倒塌仿真綜合運(yùn)用固體力學(xué)理論和非線性有限元數(shù)值分析技術(shù)，對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌過程進(jìn)行模擬仿真，了解連續(xù)倒塌破壞的全過程，為結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在通

4、用有限元法基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)以及直接采用顯式動(dòng)力有限元分析軟件如LS-DYNA就可以用于連續(xù)倒塌仿真。拆除構(gòu)件法通過有選擇性的移除一根或幾根主要的豎向受力構(gòu)件模擬偶然作用對建第6頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四筑物的直接主要破壞，然后分析剩余結(jié)構(gòu)在自重和外部荷載作用下的內(nèi)力重分布，檢查結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接超出設(shè)計(jì)承載力后的破壞和整體結(jié)構(gòu)的倒塌敏感性，以此來評價(jià)結(jié)構(gòu)抵御連續(xù)倒塌的能力。其中，構(gòu)件的“拆除”是指讓相應(yīng)的構(gòu)件退出計(jì)算，但不影響相連構(gòu)件之間的連接。也就是結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)不會受到影響。拆除構(gòu)件法是從結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的含義出發(fā)研究關(guān)鍵構(gòu)件破壞后結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)的成熟方法，其分析技術(shù)注重

5、結(jié)構(gòu)自身的抗力分析層面，分析對象為己破損結(jié)構(gòu)，不計(jì)入偶然作用對結(jié)構(gòu)中其它構(gòu)件的沖擊波作用和其它直接效應(yīng)。第7頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四拆除構(gòu)件法不針對某一種偶然作用來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)，而是希望結(jié)構(gòu)在發(fā)生局部破壞之后發(fā)揮體系自身的能力來控制或阻止破壞的擴(kuò)散和蔓延。其分析過程與引起連續(xù)倒塌的原因無關(guān)，適用于各種非常規(guī)荷載作用下的倒塌分析，在偶然作用難以量化的條件下，這種方法的可操作性強(qiáng)，有助于初步認(rèn)識結(jié)構(gòu)體系的倒塌失效機(jī)制與性能表現(xiàn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用第8頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四2、拆除構(gòu)件的關(guān)鍵問題拆除構(gòu)建的選擇：根據(jù)美國規(guī)范的

6、規(guī)定對于抗彎框架體系，為了完成連續(xù)倒塌分析應(yīng)考慮拆除的構(gòu)件包括: (1)外部周邊首層短邊中部失去一根外柱;首層長邊中部失去一根外柱;首層失去一根角柱。第9頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四(2)內(nèi)部地下車庫或空曠的首層內(nèi)柱。這些部位的選取還是需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來確定。第10頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四破壞限度美國規(guī)范提出了主要承重構(gòu)件失效帶來的倒塌領(lǐng)域準(zhǔn)則，允許破壞可能發(fā)生在失效構(gòu)件的上一層或下一層，具體允許破壞程度如下: 純框架體系的破壞范圍不應(yīng)大于一根柱以外任何方向一跨。 其他框架體系的破壞范圍不應(yīng)超過70m2或樓層面積的15%。如破壞范圍超

7、過以上限值則應(yīng)重新設(shè)計(jì)，從頭開始連續(xù)倒塌分析。第11頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四下表給出了框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件防倒塌的最大允許延性或轉(zhuǎn)動(dòng)限度。表中延性極限為極限位移與彈性位移比值Du/Dy第12頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四材料構(gòu)建性能：構(gòu)件在偶然作用下的失效是個(gè)短期行為，在瞬間脈沖作用下，鋼筋和混凝土的平均應(yīng)變速率比標(biāo)準(zhǔn)材性試驗(yàn)的應(yīng)變速度高出幾千倍，這將影響材料的強(qiáng)度和變形等力學(xué)性能，這種影響稱之為應(yīng)變率效應(yīng)。國外研究表明，這種效應(yīng)會顯著提高鋼筋混凝土材料的強(qiáng)度和延性。為考慮應(yīng)變率效應(yīng)的有利作用，導(dǎo)則中允許考慮連續(xù)倒塌分析時(shí)某些材料強(qiáng)度可以提高。

8、混凝土和鋼筋可以比設(shè)計(jì)強(qiáng)度提高10%。第13頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四3、分析方法當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生初始破后，其幾何構(gòu)成發(fā)生突變而振動(dòng)，從而產(chǎn)生慣性力，并通常伴有大變形，因此結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌實(shí)質(zhì)上是個(gè)非線性動(dòng)力過程。而根據(jù)是否考慮非線性和動(dòng)力效應(yīng)，拆除構(gòu)件法可采用線性靜力分析、非線性靜力分析、線性動(dòng)力分析以及非線性動(dòng)力分析四種分析方法。下面，將分別介紹這四種常用的分析方法。第14頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四線性靜力分析線性靜力分析是最簡單最基本的一種分析方法，此方法中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的移除是個(gè)靜力過程，加載方式為一次性加載。為考慮構(gòu)件的非線性，在分析中當(dāng)某

9、一構(gòu)件極限受彎承載力超過時(shí)，放松構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，置入一個(gè)固定彎矩等于構(gòu)件屈服的極限受彎承載力，相當(dāng)于人工加入塑性鉸，重新分析修改后的結(jié)構(gòu)。當(dāng)某一構(gòu)件超過受剪承載力時(shí)，該構(gòu)件即為失效構(gòu)件，在進(jìn)行繼續(xù)分析之前，失效構(gòu)件必須先從模型中去掉。當(dāng)某一失效構(gòu)件去掉后，與該構(gòu)件有關(guān)第15頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四的靜載或活載必須重分配給其他構(gòu)件。以迭代的方式完成這中分析直到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。如分析表明結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定則將發(fā)生連續(xù)倒塌?？蓪⒌顾呐R界狀態(tài)定義為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。對一特定的己有建筑，可通過不斷增大分析工況中豎向荷載的系數(shù)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行上述的流程的分析，直至結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)，則此時(shí)施

10、加在結(jié)構(gòu)上的所有豎向荷載即為結(jié)構(gòu)的抗倒塌極限荷載。這種方法通常只用于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行粗略的連續(xù)倒塌評估或校核，而不用于連續(xù)倒塌的精確分析。第16頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四線性動(dòng)力分析 線性動(dòng)力分析雖然考慮了構(gòu)件失效過程中的動(dòng)力效應(yīng)，但沒考慮材料的非線性，在結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性大變形時(shí)，不能準(zhǔn)確地計(jì)算動(dòng)力放大效應(yīng)、慣性力和阻尼力，因此不能評價(jià)結(jié)構(gòu)塑性大變形時(shí)的行為。而對于彈性結(jié)構(gòu)，由線性動(dòng)力分析所得的結(jié)果又將偏于保守，且在分析過程中需要進(jìn)行多次時(shí)程分析，過程比較復(fù)雜，耗時(shí)。因此，一般并不建議采用這種分析方法。第17頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四非線性靜力

11、分析 非線性靜力分析廣泛的用于結(jié)構(gòu)水平荷載的分析，也稱為“推覆分析(pushover分析)”。其基本原理是將某種水平荷載模式作用于結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型上，逐步增加荷載直至達(dá)到目標(biāo)荷載(或目標(biāo)位移)，在分析過程中，允許構(gòu)件進(jìn)入非線性階段。這種方法通過最大位移角和屈服位移的計(jì)算可用于分析結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的延性情況。一般而言，結(jié)構(gòu)的延性越好，在水平作用下的性能也愈好。第18頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四連續(xù)倒塌非線性靜力分析可采用逐步增加豎向荷載直至達(dá)到目標(biāo)荷載(位移)或結(jié)構(gòu)倒塌，相當(dāng)于“豎向pushover”分析。這種分析方法考慮了非線性效應(yīng)，在確定結(jié)構(gòu)的彈性極限和失效極限方面非常有效，可以補(bǔ)充非線性動(dòng)力分析過程。第19頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四非線性動(dòng)力分析非線性動(dòng)力分析是分析連續(xù)倒塌最為精確的一種方法，分析過程充分考慮了構(gòu)件移除的動(dòng)力特性及材料的非線性，結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生大變形，材料可以進(jìn)入非線性階段，出現(xiàn)塑性鉸，可進(jìn)行充分的內(nèi)力重分布，真實(shí)地反應(yīng)結(jié)構(gòu)倒塌的實(shí)際過程，提供了更為理想的結(jié)果。第20頁，共21頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)36分，星期四結(jié)構(gòu)在不同偶然荷載作用