索拱結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析

索拱結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析

0抗連續(xù)倒塌性能的研究進展結(jié)構(gòu)坍塌是指在正常使用下，由于意外事件，結(jié)構(gòu)局部發(fā)生變化，導(dǎo)致周圍框架的連通性破壞。最終結(jié)構(gòu)坍塌或一般坍塌形成于以下不成比例的局部坍塌或整體坍塌。近年來,隨著恐怖活動日益猖獗,結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌已成為世界范圍內(nèi)的一個熱點問題,并在框架結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中取得豐富的研究成果,并編制了相關(guān)的分析與設(shè)計規(guī)范。隨著我國建筑水平的不斷進步,現(xiàn)代大型體育場館、展覽館等公共建筑屋蓋大多采用大跨度空間結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段,大跨度空間結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的設(shè)計分析方法已基本成熟,但在意外事件下結(jié)構(gòu)抗倒塌性能的研究仍處于起步階段。國內(nèi)外有關(guān)空間結(jié)構(gòu)在各種因素作用下(例如雪荷載、地基沉降等)的倒塌事故也經(jīng)常見諸報道。而空間結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌研究多集中于網(wǎng)架結(jié)構(gòu),這主要是因為其具有廣泛的適用性,無論是大型展館還是小型加油站都可采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的倒塌事故數(shù)量也最多,尤其在我國2008年初的大雪災(zāi)害中,不少網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于積雪過多而發(fā)生倒塌。文獻(xiàn)針對不同類型的偶然事件,給出了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的拉結(jié)強度法、拆除構(gòu)件法、關(guān)鍵桿件法以及一些概念設(shè)計措施。文獻(xiàn)根據(jù)變換荷載路徑法對一大跨體育場的連續(xù)倒塌事故進行了分析。文獻(xiàn)[11-12]分別對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及雙層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌研究情況進行了回顧和總結(jié)。對于本文所要研究的索拱結(jié)構(gòu)屋蓋體系,目前尚無相關(guān)的連續(xù)倒塌研究成果。變換荷載路徑法(也稱AP法)在其設(shè)計過程中不涉及意外事件的種類及其對結(jié)構(gòu)的影響,能較好地評估結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能,因而是目前使用較為廣泛的一種連續(xù)倒塌設(shè)計方法。但以往該方法的研究主要集中于框架等結(jié)構(gòu),其移除構(gòu)件的選擇等相應(yīng)的規(guī)范要求也僅針對框架結(jié)構(gòu),對于大型空間結(jié)構(gòu)而言,還需進一步的研究。本文利用基于概念判斷的敏感性分析方法分析了單榀索拱結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件。然后對整個結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件及其幾何位置分布、整體結(jié)構(gòu)中空間作用的分布情況進行了討論。最后采用AP法對該屋蓋結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能進行了評估。1單拱結(jié)構(gòu)分析1.1中央光照帶結(jié)構(gòu)體系內(nèi)的幾何建模新廣州站主站房長468.8m、寬222.0m。屋蓋采用大跨度預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示,根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的不同,屋蓋可劃分為三個區(qū)域,即中央采光帶單層索拉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、兩端入口處三向張弦梁結(jié)構(gòu)以及中央采光帶兩側(cè)由索拱、連系桁架、檁條、撐桿和鋼管混凝土柱共同組成的空間結(jié)構(gòu),其主要受力構(gòu)件為52榀索拱。利用基于概念判斷的敏感性分析方法來選擇變換荷載路徑法中移除構(gòu)件。該方法首先基于概念判斷確定初選結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件,然后對這些構(gòu)件進行敏感性分析,確定結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件類型及其在整體結(jié)構(gòu)中的幾何位置分布。1.2主要構(gòu)件的初步確定新廣州站主站房主要采用兩種索拱結(jié)構(gòu),即內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)(圖2a)以及張弦梁結(jié)構(gòu)(外凸式索拱結(jié)構(gòu),圖2b)。相對其它索拱結(jié)構(gòu)而言,索拱結(jié)構(gòu)的一個明顯的特點是采用雙拱及雙索體系,相當(dāng)于是2榀平面索拱通過上弦連桿與拉索撐桿連接在一起的空間索拱。根據(jù)文獻(xiàn)有關(guān)索拱結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件的分析,初步選定的重要構(gòu)件為:(1)與拉索、撐桿相交處的上弦拱桿件是影響拉索及撐桿性能的重要構(gòu)件;(2)兩處撐桿跨中拱段也是整個結(jié)構(gòu)傳力途徑的關(guān)鍵部分,是結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件;(3)雙索之間的連桿是維持兩榀平面索拱共同作用的關(guān)鍵構(gòu)件(上弦拱軸線之間距離為2000mm,而下部拉索軸線距離為500mm);(4)張弦梁結(jié)構(gòu)的中間撐桿是其重要構(gòu)件;(5)拉索。索拱結(jié)構(gòu)中,柔性索的介入可以改變剛性結(jié)構(gòu)的受力分布,使其成為結(jié)構(gòu)效率較高的自平衡體系,同時可有效減輕結(jié)構(gòu)自重,整體結(jié)構(gòu)無需依靠增大剛性構(gòu)件的截面尺寸來提高承載能力,降低結(jié)構(gòu)撓度。但當(dāng)柔性索失效時,其對結(jié)構(gòu)的負(fù)作用影響也較大。文獻(xiàn)的相關(guān)研究成果表明,內(nèi)凹式索拱中一側(cè)撐桿的數(shù)目只要大于等于2即可滿足結(jié)構(gòu)的正常設(shè)計要求,故可將撐桿作為內(nèi)凹式索拱的次要構(gòu)件。1.3要點三:平均敏感性指標(biāo)的平均值以構(gòu)件移除作為結(jié)構(gòu)的損傷參數(shù)β,以節(jié)點位移作為結(jié)構(gòu)響應(yīng)γ,進行敏感性分析。結(jié)構(gòu)中任意節(jié)點對應(yīng)于構(gòu)件i移除的敏感性指標(biāo),可表達(dá)為:其中:γ為正常情況下節(jié)點的響應(yīng);γ′為結(jié)構(gòu)受損后節(jié)點的響應(yīng)。計算中主要考慮節(jié)點在x、y、z三個方向的平動位移,任意節(jié)點針對構(gòu)件i移除可計算出三個敏感性指標(biāo)Sx、Sy、Sz。由敏感性指標(biāo)S可推導(dǎo)出構(gòu)件i的重要性系數(shù)αi,可取所有節(jié)點的三個平均敏感性指標(biāo)的平均值作為受損構(gòu)件i的重要性系數(shù):其中,n為節(jié)點數(shù)目。利用有限元軟件SAP2000計算,各個初選重要構(gòu)件的敏感性分析結(jié)果見表1。表1中移除構(gòu)件如圖2所示。由表1可得出:內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)的三大組成部分中,上弦拱對結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力所起的作用最大,且越接近拱頂,拱段的構(gòu)件重要性系數(shù)越高;而張弦梁結(jié)構(gòu)最重要的上弦拱段出現(xiàn)在中間撐桿的外側(cè),不是完全的拱頂處。對于內(nèi)凹式索拱而言,拉索之間的連桿是維持結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力的重要構(gòu)件,其重要程度稍高于上弦拱的拱頂桿件。張弦梁結(jié)構(gòu)則不存在這一現(xiàn)象,其原因是張弦梁結(jié)構(gòu)和內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)撐桿數(shù)目不同。張弦梁結(jié)構(gòu)中設(shè)置了3處撐桿,由3點控制2根拉索的穩(wěn)定性,因此有效地降低了拉索連桿對結(jié)構(gòu)的重要程度;由于跨中撐桿的設(shè)置,加強了拱頂處結(jié)構(gòu)的剛度及連續(xù)性,因此最重要的拱段出現(xiàn)在中間撐桿的外側(cè)。由表1還可知,在正常使用情況下,更換單根拉索對索拱結(jié)構(gòu)性能的影響為各種情況中最小,這說明雙索體系的設(shè)置,顯著降低了拉索斷裂對結(jié)構(gòu)性能的影響。這為正常使用階段拉索的更換提供了理論上的可行性。采用變換荷載路徑法進行連續(xù)倒塌分析時,對于張弦梁結(jié)構(gòu)可取中間撐桿外的上弦拱作為移除構(gòu)件,對于內(nèi)凹式索拱則取拉索之間的連桿及拱頂處的桿件作為移除構(gòu)件。2全球結(jié)構(gòu)分析2.1屋頂下索拱的支護體系沿結(jié)構(gòu)x向,該屋蓋體系可看作是6個單向索拱結(jié)構(gòu)通過5榀連系桁架及相應(yīng)支承柱所組成的大跨度預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)。中間4跨的內(nèi)凹式索拱直接支承在連系桁架上,桁架下部間隔布置有鋼管混凝土柱(沿結(jié)構(gòu)y向,每2榀索拱有1根鋼管混凝土柱)。兩側(cè)索拱的一端支承在連系桁架上,另一端支承在鋼管混凝土柱上。結(jié)構(gòu)的主要傳力途徑為:索拱→連系桁架→鋼管混凝土柱。屋蓋體系中的索拱結(jié)構(gòu)體系與常規(guī)單向體系的主要區(qū)別在于連系桁架是部分索拱的彈性支承,下部沒有對應(yīng)的剛性支承柱,結(jié)構(gòu)的空間作用較常規(guī)單向體系要大。且外側(cè)兩列索拱之間的檁條和撐桿數(shù)目較多(圖1),屋蓋的局部平面剛度較大,加大了結(jié)構(gòu)的局部空間作用。2.2連系桁架結(jié)構(gòu)的空間作用分析利用1.3節(jié)給出的敏感性分析確定失效索拱、失效柱及失效桁架在整體結(jié)構(gòu)中的幾何位置分布,并研究整體結(jié)構(gòu)中空間作用的分布情況,根據(jù)研究結(jié)果確定是否可在平面結(jié)構(gòu)上進行連續(xù)倒塌分析,即按結(jié)構(gòu)x向或者y向一列索拱結(jié)構(gòu)單獨進行計算。根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性,可取中央采光帶一側(cè)26榀索拱組成的屋蓋分析,圖1中~軸所包含的索拱結(jié)構(gòu)。圖3為索拱結(jié)構(gòu)構(gòu)件的編號示意圖,HJ1~HJ5為連系桁架的編號,SG1~SG26為索拱編號。失效柱的幾何位置可參照美國UFC4-023-03規(guī)范中框架結(jié)構(gòu)失效柱的布置要求,結(jié)構(gòu)外圍取x向中柱Z1、y向中柱Z2及角柱Z3;結(jié)構(gòu)內(nèi)部,結(jié)合該工程的實際情況,取桁架HJ1及桁架HJ3的中柱作為失效柱。以拉索索力作為結(jié)構(gòu)的響應(yīng)γ,進行敏感性分析,失效柱的重要性系數(shù)可表示為:其中:m為拉索的數(shù)目,計算結(jié)果見表2。由表2可得出:角柱的重要性系數(shù)最大,是整體結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵的支承柱,原因是結(jié)構(gòu)邊緣與其它部分的聯(lián)系最弱,無法充分利用周圍構(gòu)件的拉結(jié)作用,不利于構(gòu)件失效后的內(nèi)力重分布;結(jié)構(gòu)中間支承柱的重要性系數(shù)明顯偏低,這說明連系桁架剛度大,具有較好的“搭橋跨越”能力,整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性好。為研究整體結(jié)構(gòu)的空間作用分布情況,將屋蓋結(jié)構(gòu)中央采光帶一側(cè)的26榀索拱沿著x向和y向進行區(qū)域劃分。沿x向從左往右劃分為6個區(qū)域,即5個連系桁架將屋面劃分為6個區(qū)域,編號分別為:x1、x2、x3、x4、x5和x6。沿y向從下至上可以劃分5個區(qū)域,即軸線、、、、所對應(yīng)的區(qū)域編號分別為y1、y2、y3、y4、y5。取每個區(qū)域中拉索敏感性系數(shù)的平均值作為該區(qū)域的敏感性指標(biāo),以失效構(gòu)件所在區(qū)域的敏感性指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)值對剩余區(qū)域的敏感性指標(biāo)進行規(guī)格化處理,繪制敏感性指標(biāo)的變化曲線圖從而進行空間作用分析。例如,角柱失效情況下,即SG1處的支承柱失效,x向區(qū)域x1的敏感性指標(biāo)Sx1=(SSG1+SSG2+SSG3+SSG4)/4,取Sx1作為標(biāo)準(zhǔn)值對剩余區(qū)域的敏感性指標(biāo)進行規(guī)格化,圖4為區(qū)域敏感性指標(biāo)變化曲線。由區(qū)域敏感性指標(biāo)變化趨勢圖可知,整體結(jié)構(gòu)的空間作用沿x向分布較弱,失效構(gòu)件的影響僅局限在失效區(qū)域附近。而沿y向空間作用較明顯,尤其在靠近中央采光帶單層網(wǎng)殼附近,空間作用復(fù)雜,縱向曲線的斜率出現(xiàn)突變。對受損索拱的幾何位置進行敏感性分析時,取SG1(角部)、SG9(x向中部)、SG4和SG12(中央采光帶附近)作為受損索拱。考慮到整體結(jié)構(gòu)中撐桿與檁條的拉結(jié)作用,假定單榀空間索拱中的兩榀平面索拱同時出現(xiàn)構(gòu)件失效的情況,加強構(gòu)件的損傷情況。同樣,對連系桁架中失效構(gòu)件的幾何位置進行分析時,取HJ1中支承SG1、SG4的桁架腹桿及HJ3中支承SG9、SG12的桁架腹桿作為失效桿件。具體計算結(jié)果見表3。由表3可知:桁架腹桿的桿件重要性系數(shù)較小,說明整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性好,檁條和撐桿對索拱的拉結(jié)作用大,且桁架自身的剛度及冗余度也很大,故桁架局部失效對整體結(jié)構(gòu)性能的影響不大;對比索拱的重要性系數(shù)可知,內(nèi)凹式索拱對結(jié)構(gòu)的重要性大于端部的張弦梁結(jié)構(gòu),并且內(nèi)凹式索拱中拉索連桿的失效對整體結(jié)構(gòu)性能的影響很大。根據(jù)上述分析,可以得到如下結(jié)論:采用變換荷載路徑法(AP法)進行結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析時,取x向中柱Z1、角柱Z3、x向中部內(nèi)凹式索拱SG9作為失效構(gòu)件進行計算;盡管結(jié)構(gòu)的空間作用沿x向分布較弱,但沿y向的空間作用分布情況與中央單層網(wǎng)殼的邊界條件有關(guān),故不能簡單的取局部模型進行計算,仍需在整體模型中進行AP法計算。3計算方法的確定根據(jù)是否考慮結(jié)構(gòu)的動力特性及材料的非線性因素,AP法主要分為線性靜力計算、線性動力計算、非線性靜力計算和非線性動力計算共四種計算方法。本文利用有限元軟件SAP2000選擇線性動力計算方法,并和考慮幾何非線性的靜力計算的結(jié)果比較,不考慮材料的非線性。取1.0DL(恒載)+0.25LL(活載)的荷載組合作為分析工況。3.1角柱失效分析按文獻(xiàn)提出的考慮結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的等效荷載卸載法進行線性動力計算。首先提取1.0DL+0.25LL的荷載組合作用下角柱頂部的桿件內(nèi)力,將其轉(zhuǎn)化為角柱對柱頂節(jié)點的支承力,并定義為動力荷載P(包括軸力、彎矩、剪力)。其次對移除角柱的結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析,提取其自振周期和前2階模態(tài)頻率,用于計算結(jié)構(gòu)的初始持荷時間、構(gòu)件的移除時間以及結(jié)構(gòu)的阻尼比。依據(jù)如圖5所示的加載路徑進行時程分析,前t0秒內(nèi)荷載P維持不變,從而保證時程分析過程中,整體結(jié)構(gòu)有足夠時間將荷載DL、LL、P作用下產(chǎn)生的強迫振動衰減完全,角柱失效時整體結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定的初始狀態(tài)。荷載P的衰減時間,即角柱的失效時間取為tp秒。根據(jù)計算,取t0為20s,tp為0.5s。在有限元模型中建立線性時程分析工況,計算時間取40s,進行線性動力計算。靜力計算時,取動力荷載放大系數(shù)2.0,對角柱失效下的結(jié)構(gòu)進行靜力計算,其動力放大荷載的分布范圍為:SG1至SG2的區(qū)域以及SG1外部懸挑雨棚區(qū)域。靜力計算角柱柱頂節(jié)點的豎向位移為398.7mm,而線性動力計算的結(jié)果為258.5mm,相差54%,靜力計算結(jié)果偏小。如圖6所示,角柱失效后整體結(jié)構(gòu)的變形主要集中在SG1外側(cè)的懸挑雨棚處,雨棚前端向下傾倒,變形最大處的豎向位移接近1m,另一端則向上拱起。同時在變形放大圖中可清楚的看到SG1出現(xiàn)側(cè)翻和扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象,在水平平面內(nèi),整個索拱以桁架為固定端,上弦拱向外扭轉(zhuǎn),下拉索則向內(nèi)側(cè)翻,撐桿節(jié)點的最大水平位移為200mm左右。在豎直平面內(nèi),索拱前端發(fā)生較大豎向位移,最大值為-300mm左右,接近桁架處則微微向上拱起。對于整體變形情況,角柱失效的變形影響范圍局限在SG1本身及其外側(cè)的懸挑雨棚。利用SAP2000有限元軟件中的設(shè)計功能,結(jié)合GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,對桿件進行強度破壞判斷。根據(jù)設(shè)計結(jié)果,懸挑雨棚前端部分檁條由于軸向拉力過大而應(yīng)力比超標(biāo);SG1中部分上弦拱之間的拉桿在彎矩和拉力的共同作用下應(yīng)力比超標(biāo);在SG1與SG2之間,結(jié)構(gòu)前端的部分斜撐由于拉力過大而應(yīng)力比超標(biāo);SG2支承點附件的封邊管由于拉力過大而失效。對于整體強度破壞,角柱失效的強度影響范圍局限在失效角柱附近,主要是懸挑雨棚、SG1及SG1同SG2之間的一些拉結(jié)桿件。綜合構(gòu)件變形及強度的破壞情況可知,該索拱結(jié)構(gòu)屋蓋體系符合單向索拱結(jié)構(gòu)的平面?zhèn)髁μ卣?巨型連續(xù)桁架“隔斷”了結(jié)構(gòu)破壞沿結(jié)構(gòu)x向的傳播,而沿結(jié)構(gòu)的y向,相鄰的主要水平受力構(gòu)件SG2無論是變形還是應(yīng)力比均沒有大的影響。所以角柱失效的影響局限在其所支承的SG1受力范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)不會發(fā)生連續(xù)倒塌。3.2結(jié)構(gòu)體系內(nèi)連索受力下降原因分析假定SG9中兩側(cè)撐桿之間的連桿在意外事件下同時失效,對結(jié)構(gòu)進行時程分析。由于拉桿在荷載作用下主要承受軸向拉力,故忽略彎矩及剪力的影響,在動力荷載P中僅考慮連桿對節(jié)點的拉力。計算結(jié)果顯示連桿失效對結(jié)構(gòu)所造成的影響較小。對整體結(jié)構(gòu)進行不考慮初始狀態(tài)的靜力計算。由局部結(jié)構(gòu)的變形放大圖(圖7)可知,連桿失效使得SG9中的兩根拉索無法共同工作,發(fā)生側(cè)向變形失穩(wěn)。同時應(yīng)力比設(shè)計結(jié)果表明,SG9中拉索的索力接近設(shè)計狀態(tài)的極限索力,中間撐桿發(fā)生強度破壞而失效。即連桿失效造成SG9承載能力下降,其所承擔(dān)的屋蓋豎向位移加大。造成兩種計算方法結(jié)果差異較大的根本原因是構(gòu)件失效前索拱結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的不同。在動力計算中,連桿失效之前,在外荷載的作用下兩根拉索中已經(jīng)具備了一定的應(yīng)變能,其平面外的穩(wěn)定性顯著大于拉索應(yīng)變能為零的情況。故此時,連桿失效的影響較小。而在靜力計算中,由于不考慮結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài),拉索中的應(yīng)變能為零。因此在沒有側(cè)向約束的情況下,拉索在荷載較小時就會發(fā)生大的側(cè)向變形,從而造成索拱結(jié)構(gòu)承載能力的下降。所以對于含有預(yù)應(yīng)力拉索的結(jié)構(gòu)體系而言,考慮構(gòu)件意外失效前整體結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)是非常有必要的。采用