RC框剪結構考慮扭轉的抗連續(xù)性倒塌的Pushover分析

黃慎江，張 雯

（合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

RC框剪結構考慮扭轉的抗連續(xù)性倒塌的Pushover分析

黃慎江，張 雯

（合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

近年來，隨著倒塌事故的頻繁發(fā)生，結構的抗連續(xù)倒塌問題已經成為嚴重影響公共安全的重要問題。本文參考DOD2009提供的流程，采用拆除構件法研究了兩棟不同布置形式的15層RC框剪結構（分別考慮扭轉作用和不考慮扭轉作用），并基于有限元軟件MIDAS/Gen對其進行了非線性靜力分析，通過塑性鉸的發(fā)展過程及拆柱前后內力對比來分析規(guī)則結構和不規(guī)則結構的抗連續(xù)倒塌性能。

框剪結構，抗連續(xù)倒塌，拆除構件法，塑性鉸

0　引　言

自1968年Ronan Point公寓倒塌事件發(fā)生以來，其間經歷了1995年美國聯(lián)邦政府辦公樓倒塌以及2001年世貿雙塔倒塌等多起重大事故［1］。隨著倒塌事故的頻繁發(fā)生，結構的抗連續(xù)倒塌問題已成為各國學者們的研究重點。

結構連續(xù)性倒塌［2］是指結構因偶然荷載造成結構局部破壞失效，繼而引起與失效破壞構件相連的構件連續(xù)破壞，最終導致整個結構的倒塌或者與初始破壞不成比例的局部破壞。建筑在偶然荷載作用下可能會發(fā)生倒塌，造成重大的人員傷亡和財產損失。因此，在今后的結構設計中，有必要考慮結構的抗連續(xù)性倒塌性能。鑒于目前的規(guī)范及研究大都是關于多層框架結構，而對于高層建筑結構的研究甚少，因此本文分析研究了兩棟15層RC框剪結構，通過對兩種不同布置形式的框剪結構模型的非線性靜力分析，評估框剪結構考慮扭轉的抗連續(xù)倒塌性能，為今后同類課題奠定研究基礎。

1　結構模型

本文參考《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010-2010）［3］并結合工程實踐，分析研究了兩棟15層RC框剪結構的抗連續(xù)性倒塌性能。兩棟建筑的構件尺寸、鋼筋等級和剪力墻的數量均相同，只有剪力墻的布置不同，以此來對比分析兩種不同平面布置的框剪結構的扭轉效應。其中：模型A（最大位移比為1.19）為規(guī)則結構，剪力墻均勻布置且上下貫通，不考慮扭轉作用；模型B（最大位移比為1.49）為不規(guī)則結構，剪力墻平面布置不均勻且從下至上剪力墻截面變小，考慮扭轉作用。

1.1設計參數

模型A與模型B的相同之處主要有以下幾點：（1）首層層高為3.6 m，其余層層高為3 m。（2）框架柱尺寸：一層為750 mm×750 mm，其余層為700 mm×700 mm；框架梁尺寸為250 mm×700 mm；柱、剪力墻混凝土強度等級采用C35，梁、板采用C30；縱向受力鋼筋選用HRB400，箍筋選用HRB335。（3）建筑場地類別為Ⅱ類，抗震設防烈度為7度，設計地震基本加速度值為0.10 g，設計地震分組為第一組，框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為二級。（4）計算時取前24個振型，周期折減系數取0.75。各層均布恒載為5.5 KN/m2，均布活載為2.0 KN/m2［4］。而模型A與模型B的不同之處在于：模型A的剪力墻厚度為250 mm，而模型B第1-5層為250 mm，6-10層為200 mm，11-15層160 mm。

參考D0D2009［5］中對柱拆除位置的規(guī)定，選取底層三個典型部位的框架柱進行拆除分析，拆除柱編號如下：1）角柱為KZ1；2）長邊中柱為KZ2；3）內部柱為KZ3。每次分析僅拆除一根代表柱。兩個模型的平面布置圖分別如圖1和圖2所示。

圖1　框剪結構A平面布置圖

圖2　框剪結構B平面布置圖

1.2分析方法

對于結構的抗連續(xù)倒塌分析，根據不同的規(guī)范可總結歸納出四類分析方法：線性靜力方法、線性動力方法、非線性靜力方法和非線性動力方法［6］。其中線性靜力方法雖然比較簡單，但是其結果不精確，只能用于規(guī)則結構或低層結構體系的粗略分析。非線性靜力方法考慮了材料非線性及幾何非線性的影響，采用塑性鉸模型，能較準確的模擬結構的倒塌情況。而動力分析方法雖然考慮了結構構件失效過程中的動力效應，但是分析過程繁雜，且需要大量的時間。因此本文采用非線性靜力方法對框剪結構模型運用拆除構件法進行抗連續(xù)倒塌分析。

1.3荷載施加原則

按照D0D2009，在失效柱的上部所有樓層的相鄰開間采用的荷載組合為2（DL+0.5LL），其他部位施加的荷載組合為（DL+0.5LL），其中，2是考慮拆除構建過程中沖擊效應的增大系數；DL：恒載標準值；LL：活載標準值。

1.4倒塌判別準則

參考D0D2009，以塑性鉸轉角最大允許值作為破壞準則。在midas/gen中，塑性鉸的力-位移曲線通過一個有五個控制點A-B-C-D-E的曲線來實現，如圖3，A點為加載點，B點代表屈服，點C代表極限承載力，點D代表殘余強度，點E代表完全失效。此外還有三個關鍵點分別代表鉸的能力水平，IO代表直接居住極限狀態(tài)，LS代表安全極限狀態(tài)，CP代表坍塌防止極限狀態(tài)。

進行非線性靜力分析（Pushover分析）時，在梁的兩端指定鉸，當梁單元中某個塑性鉸達到CP階段時，則認為該單元喪失承載能力［7］。

圖3　塑性鉸骨架曲線

2　非線性分析

2.1分析步驟

1）建立框剪結構模型，對結構進行線性靜力分析（施加荷載組合DL+LL），進行混凝土結構設計并更新配筋；

2）拆除具有代表性的柱，并且在失效柱的上部開間施加2（DL+0.5LL），其他部位施加（DL+0. 5LL）；

3）定義非線性靜力荷載工況，并且指定塑性鉸（梁的兩端指定My-Mz鉸）；

4）對結構進行Pushover分析。

2.2非線性分析過程

Pushover分析完成后，查看拆除代表柱后的鉸狀態(tài)結果（如圖4，圖5和圖6所示）。

圖4　拆除角柱后塑性鉸分布圖

圖5　拆除長邊中柱后塑性鉸分布圖

圖6　拆除內部柱后塑性鉸分布圖

以拆除角柱為例：在進行pushover分析時，規(guī)則結構進行了17步后結束，而不規(guī)則結構只進行了12步。其最終狀態(tài)的塑性鉸分布圖如圖4所示。規(guī)則結構中有11.7%達到了CP階段，而不規(guī)則結構中有15.6%達到了CP階段。拆除長邊中柱和內部柱后塑性鉸的數據如圖4和圖5所示，此處不再一一贅述。

由拆除角柱、長邊中柱及內部柱后規(guī)則結構與不規(guī)則結構塑性鉸的分布圖對比可以看出：

1）角柱、長邊中柱或內部柱中任何一個發(fā)生破壞，房屋剩余承重體系的破壞程度規(guī)則結構均要小于不規(guī)則結構，這也說明規(guī)則結構的受力體系要優(yōu)于不規(guī)則結構；

2）拆除各代表柱后的破壞程度：角柱＞長邊中柱＞內部柱，這是由于拆除角柱后，在雙軸均形成懸臂梁，而在拆除邊柱后，在某一軸形成雙跨梁，而雙跨梁的受力遠大于懸臂梁，因此，在今后的抗連續(xù)性倒塌性能的設計時，應有針對性的對結構的薄弱部位予以加強，如增大角柱截面、提高配筋率、加密箍筋等，從而更有效的保證整個結構體系的安全。

3　結果分析

3.1相鄰柱軸力變化

塑性鉸的分布圖只能整體上表現結構的抗連續(xù)倒塌性能，下面針對拆除代表柱后，剩余結構的內力變化來進一步直觀的說明結構的抗連續(xù)倒塌性能。

表1，表2，表3中分別列出了拆除角柱、長邊中柱及內部柱后相鄰柱子軸力增加的百分比。

表1　拆除角柱后相鄰柱軸力增加百分比

表2　拆除長邊中柱后相鄰柱軸力增加百分比

表3　拆除短邊中柱后相鄰柱軸力增加百分比

結果顯示：拆除角柱后，與角柱相鄰的A2柱軸力在規(guī)則結構中增加約82%-99%，不規(guī)則結構增加212%-251%；B1柱軸力在規(guī)則結構中增加約91%-112%，而在不規(guī)則結構中增加約265%-293%。拆除長邊中柱及內部后相鄰柱子軸力增加百分比如表2和表3所示，其柱軸力增長規(guī)律與拆除角柱的情況類似，只是增長幅度有些許不同。由此可得，不規(guī)則結構的軸力增加要遠遠大不規(guī)則結構，其抗連續(xù)倒塌能力弱于規(guī)則結構。這些詳細的數據驗證了第二節(jié)結論的正確性。

相鄰柱軸力增加,這是因為：代表柱失效后，其所承受的上部荷載將通過相連的框架梁傳給相鄰框架柱,失效跨內柱子軸力顯著增加，而其余柱子軸力基本保持不變，剩余結構的內力重分布集中在失效跨內；失效柱上方同軸柱子軸力迅速減小，基本喪失承載能力。

3.2需求譜與能力譜曲線

拆除代表柱后，結構喪失承載能力，難以滿足抗連續(xù)倒塌設計要求。以規(guī)則結構拆除角柱前后Y方向的能力譜與需求譜曲線為例（如圖7和8所示）。由圖可以看出，在拆除代表柱前，Y向能力譜曲線能與7度罕遇地震需求譜曲線相交，存在性能點，說明結構能滿足抗震設防要求；而在拆除代表柱后，能力譜曲線與需求譜曲線無相交，無性能點，即結構在拆除代表柱后承載能力大大降低，無法承受7度罕遇地震作用，即不滿足抗震要求。這表明，本文中按照我國規(guī)范設計的框剪結構不滿足抗連續(xù)倒塌的要求。

圖7　未拆柱前需求譜與能力譜曲線

圖8　拆除角柱后需求譜與能力譜曲線

4　結論

本文運用有限元分析軟件對兩棟符合我國規(guī)范的15層框剪結構進行了非線性靜力分析，通過各項對比分析得出以下結論：

（1）通過規(guī)則結構與不規(guī)則結構的塑性鉸狀態(tài)分布圖、與拆除柱相鄰柱軸力增加的百分比的對比，可以看出，在拆除代表柱后，規(guī)則結構的破壞程度要小于不規(guī)則結構，其抗連續(xù)倒塌能力強于不規(guī)則結構。因此，在進行建筑結構選型時，在滿足功能要求和造型要求的前提下，應盡可能的降低結構的不規(guī)則程度，以保證結構具備較強的抗連續(xù)倒塌能力。

（2）代表柱失效對結構抗連續(xù)倒塌性能的影響程度為：角柱＞長邊中柱＞內部柱,這是因為角柱失效后，在雙軸均形成懸臂梁，而在拆除邊柱后，在某一軸形成雙跨梁，在拆除內部柱后，兩軸均形成雙跨梁，而雙跨梁的受力遠大于懸臂梁，因而為了增強結構的抗連續(xù)倒塌能力，對結構的重要構件應予以加強或者增加備用荷載路徑，防止結構因個別構件失效而導致結構產生與初始破壞不成比例的破壞。

（3）代表柱失效后，能力譜曲線與7度罕遇地震需求譜曲線無交點（無性能點），說明本文中按照我國規(guī)范設計的框剪結構不滿足抗連續(xù)倒塌的要求，因此在今后的結構設計中，有必要將抗連續(xù)倒塌性能考慮其中。

（4）目前國內對于框剪結構及不規(guī)則結構的抗連續(xù)倒塌研究甚少，本文通過對框剪結構模型的有限元及數據分析，總結出了結構的規(guī)則程度對于結構抗連續(xù)倒塌的影響，希望為框剪結構的抗連續(xù)倒塌設計的發(fā)展提供參考。

［1］邢甫慶,陳道政.四層RC框架結構抗連續(xù)性倒塌分析［J］.安徽建筑工業(yè)學院學報,2009,17（5）：31-35.

［2］李易,陸新征,葉列平，等.基于Pushdown分析的RC框架抗連續(xù)倒塌承載力研究［J］.沈陽建筑工程學院學報（自然科學版）, 2011, 27（1）：10-18.

［3］GB50010-2010,混凝土結構設計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012.

［4］GB50009-2012,建筑結構荷載規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012.

［5］Department of Defense. Unified facilities criteria： Design of building to resist progressive collapse［S］. Washington D, C, 2009.

［6］張鵬,陳寶旭.基于GSA指南的RC框架結構抗連續(xù)倒塌的線性靜力分析［J］.四川建筑科學研究院, 2014, 40（01）： 114-117.

［7］孫春蕾,傅光耀,付善春.12層框架角柱與邊柱連續(xù)倒塌破壞效應分析［J］.南昌大學學報（工科版）, 2014, 36（3）： 241-246.

Progressive Collapse Resistance Pushover Analysis of RC Frame-shear Wall Structures with the Torsional Action Taken into Consideration

Huang Shenjiang,Zhang wen
（School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009.China ）

Recently, with the frequent occurrence of collapse incidents, the progressive collapse resistance of structures has been an important matter which could infuence public safety greatly. In this article, dismantling component methodis has been to adopted to study the 15 story RC frame-shear wall structure in two buildings （with or withouttorsional action taken into consideration respectively） by referencing the flows provided by DOD2009.And the nonlinear static analysis is conducted to the two modelsbased on the fnite element software MIDAS/GenThen, the progressive collapse resistance performance of regular structure and irregular structureis analyzed by the development process of plastic hingesand the inner force comparison before and after the columns dismantlement basing on fnite element software MIDAS/Gen.

frame-shear wall structure, progressive collapse resistance, dismantling component method, plastic hinge

TU973+.3

A

2095-8382（2016）04-008-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160402

2016-01-14

黃慎江（1964—）,男，副教授，博士，主要從事混凝土及預應力混凝土結構設計理論研究。