基于ANSYS分析既有RC框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的能力★

郭文杰 趙子玉 崔文韜

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

基于ANSYS分析既有RC框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的能力★

郭文杰 趙子玉 崔文韜

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

采用ANSYS軟件，建立了RC框架結(jié)構(gòu)有限元模型，并利用線性靜力法，研究了四種不同失效工況下RC框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌能力，依據(jù)分析結(jié)果，提出了RC框架結(jié)構(gòu)的加固措施。

框架結(jié)構(gòu)，連續(xù)性倒塌，有限元分析，加固措施

0 引言

世界范圍內(nèi)建筑物因關(guān)鍵構(gòu)件失效而造成的連續(xù)性倒塌事故時(shí)有發(fā)生，造成了嚴(yán)重的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。同時(shí)，大量現(xiàn)存的既有建筑物并沒有經(jīng)過抗連續(xù)性倒塌能力設(shè)計(jì)，加之年久失修等各種因素，已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的損傷，存在著發(fā)生連續(xù)性倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。所以，工程界越來越重視對(duì)于建筑物抗連續(xù)性倒塌能力的研究。陸新征、李易等通過對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌過程的數(shù)值模擬，分析出倒塌過程中存在梁機(jī)制、轉(zhuǎn)換機(jī)制及懸鏈線機(jī)制三種抗力機(jī)制[1]；易偉建、何慶鋒等提出了模擬框架結(jié)構(gòu)倒塌破壞的擬靜力試驗(yàn)方法，并完成了4跨3層鋼筋混凝土平面框架的倒塌試驗(yàn)[2]；肖巖、楊嬌等通過CFRP加固框架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，得出粘貼CFRP可以有效地提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌能力[3]。本文結(jié)合某工程案例，通過ANSYS軟件對(duì)某三維RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性靜力有限元分析，研究不同失效工況下結(jié)構(gòu)的抗力性能，提出既有RC框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌能力的加固措施及方法。

1 分析方法及流程

線性靜力拆除構(gòu)件法沒有直接考慮材料的非線性及結(jié)構(gòu)倒塌過程中的動(dòng)力效應(yīng)，而是通過考慮荷載的動(dòng)力放大系數(shù)來間接模擬動(dòng)力作用，通過考慮內(nèi)力折減系數(shù)來近似模擬材料的非線性，具有計(jì)算效率高，操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。根據(jù)GSA2003規(guī)范的規(guī)定，該方法適用于10層及10層以下規(guī)則框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的分析。其具體的分析流程如下：1)采用有限元軟件建立鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型；2)依次拆除框架結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵承重構(gòu)件，主要為結(jié)構(gòu)中的短邊中柱、長(zhǎng)邊中柱、內(nèi)部柱及角柱等構(gòu)件；3)在與被拆除柱直接或間接相連的框架梁上施加2(D+0.25L)的荷載，其余區(qū)域的框架梁上施加D+0.25L的荷載；4)線性靜力分析結(jié)束后，依據(jù)需求能力比DCR破壞準(zhǔn)則，判斷DCR值是否大于2,評(píng)估結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌承載能力儲(chǔ)備。

其中，D為包括自重在內(nèi)的恒荷載；L為活荷載；QUD為在考慮了荷載動(dòng)力放大系數(shù)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用效應(yīng)；QCE為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限承載能力。

2 工程案例

2.1 設(shè)計(jì)資料

某框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7度。首層層高4.5m，其余層高3.6m,兩種柱截面尺寸分別為400mm×450mm，400mm×400mm，兩種梁截面尺寸為250mm×500mm，250mm×400mm，梁、板、柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，縱向受力鋼筋HRB335，箍HPB235。樓面恒載為3.24 kN/m2，活載為2.03 kN/m2，屋面恒載為3.98 kN/m2，活載為0.5 kN/m2。

2.2 有限元模型

本文主要采用ANSYS提供的基于鐵木辛柯梁理論(Timoshenko梁理論)的Beam189單元建立RC框架結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型。該單元是3D有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧m合分析線性、彈性、大轉(zhuǎn)動(dòng)等問題[4]，同時(shí)梁、柱作為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的主要承重構(gòu)件，具有相同的受力理論基礎(chǔ)，都會(huì)在荷載作用下產(chǎn)生彎矩、剪力及軸力等內(nèi)力，因而梁、柱構(gòu)件都可以用Beam189單元來模擬分析。

2.3 有限元結(jié)果分析

1)位移分析。

分析圖1～圖4四種失效工況下結(jié)構(gòu)的位移可知，結(jié)構(gòu)的最大位移均發(fā)生在失效柱柱端。角柱失效工況下，結(jié)構(gòu)最大位移為37.78 mm；短邊中柱失效工況下，結(jié)構(gòu)最大位移為17.79 mm；長(zhǎng)邊中柱失效工況下，結(jié)構(gòu)最大位移為14.51 mm；內(nèi)部柱失效工況下，結(jié)構(gòu)最大位移為13.92 mm。對(duì)比分析，僅在角柱失效后，結(jié)構(gòu)的最大位移超過了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于正常使用極限狀態(tài)梁位移限值的要求，但未超過GSA規(guī)范中對(duì)于結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的限值，其余最大位移值也均符合規(guī)定。

2)承載能力分析。

分析圖5～圖8四種失效工況下結(jié)構(gòu)的彎矩可知，在失效柱跨內(nèi)區(qū)域的框架梁受力機(jī)制發(fā)生改變，與失效柱相連的框架梁梁端彎矩由負(fù)變正，且數(shù)值顯著增加。首層柱失效后，對(duì)首層及第二層梁柱構(gòu)件的內(nèi)力影響較大，在失效柱跨內(nèi)，隨著層數(shù)的增加，距離失效柱所在層越遠(yuǎn)，梁柱構(gòu)件的內(nèi)力變化幅度也逐漸減小。同時(shí)，跨度較小梁的內(nèi)力變化幅度最大，容易首次發(fā)生破壞。

3)破壞準(zhǔn)則分析。

表1 不同失效工況下結(jié)構(gòu)最大DCR值計(jì)算表

通過表1可以得出，在角柱失效及短邊中柱失效工況下的最大DCR值為均超過了GSA2003規(guī)范規(guī)定的限值2，說明角柱失效及短邊中柱失效工況下，該鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生連續(xù)性倒塌。而在長(zhǎng)邊中柱失效及內(nèi)部柱失效工況下的最大DCR值均小于限值2，說明在這兩種失效工況下，該鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生連續(xù)性倒塌。

2.4 加固分析

通過對(duì)既有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，說明了依據(jù)我國(guó)原有規(guī)范設(shè)計(jì)的建筑物存在連續(xù)性倒塌的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行加固處理。通過四種失效工況的綜合對(duì)比，現(xiàn)提出以下加固措施與方法：

1)針對(duì)本例，應(yīng)重點(diǎn)加固角柱及短邊中柱區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。通過外粘型鋼、增大截面面積等方法對(duì)結(jié)構(gòu)角柱及短邊中柱進(jìn)行加固，防止其被破壞，從根源上避免結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的發(fā)生；

2)由于柱失效后，結(jié)構(gòu)體系的傳力路徑有所改變，導(dǎo)致與失效柱直接相連的框架梁的內(nèi)力明顯增大，所以需要增加框架梁的承載能力，可以采用粘貼鋼板、粘貼纖維復(fù)合材等方法進(jìn)行加固，尤其是與失效柱直接相連的本層及上一層框架梁必須進(jìn)行加固，對(duì)跨度較小的框架梁進(jìn)行重點(diǎn)加固，對(duì)框架梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域采取必要加固措施；

3)通過增加鋼支撐等方法對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行加固，一方面增加了結(jié)構(gòu)體系的替代傳力路徑，另一方面也增加了結(jié)構(gòu)的承載能力。

[1] 李 易,陸新征,葉列平，等.鋼筋混凝土框架抗連續(xù)倒塌機(jī)制研究[J].建筑科學(xué),2011,27(5):12-18,22.

[2] 易偉建,何慶鋒,肖 巖，等.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗倒塌性能的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2007,28(5):104-109,117.

[3] 楊 嬌.采用CFRP板條防止鋼筋混凝土框架連續(xù)倒塌試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2014.

[4] GSA.Progressive collapse analysis and design guidelines for new federal office buildings and major modernization projects.Washington,D.C:United States General Services Administration.2003.

[5] 王新敏,李義強(qiáng),許宏偉.ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2011.

Analysis the resistance of progressive collapse of the existing RC frame structure based on ANSYS★

Guo Wenjie Zhao Ziyu Cui Wentao

(HebeiInstituteofArchitectureandCivilEngineering，Zhangjiakou075000，China)

ANSYS was used to establish finite element model of RC frame structure, and then the linear static method was used to research the resistance of progressive collapse of the existing RC frame structure at different conditions, according to the results of the analysis, the paper puts forward some reinforcement measures.

frame structure, progressive collapse, finite element analysis, reinforcement measures

2016-11-23

★：2016年河北省研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：302)；2016年河北建筑工程學(xué)院研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：XA201603)

郭文杰(1990- )，男，在讀碩士

1009-6825(2017)04-0037-03

TU311.41

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