某活動中心抗連續(xù)倒塌評估分析

王成虎，于 響

（湖南智謀規(guī)劃工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司 湖南株洲421007）

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)在發(fā)生撞擊、爆炸、地震以及火災(zāi)等偶然事件時(shí)，可能導(dǎo)致構(gòu)件的局部破壞，在荷載作用下，破壞范圍從構(gòu)件到構(gòu)件擴(kuò)展引起連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致一部分結(jié)構(gòu)倒塌或整體結(jié)構(gòu)倒塌稱之為連續(xù)倒塌［1］。連續(xù)倒塌會給人民的生產(chǎn)生活帶來經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)還會造成人員傷亡。近年來抗倒塌設(shè)計(jì)受到各國的廣泛的關(guān)注。美國公共事務(wù)管理局2000 年制定了連續(xù)倒塌的分析與設(shè)計(jì)導(dǎo)則（GSA 導(dǎo)則），美國國防部2001年發(fā)表了防連續(xù)倒塌暫行設(shè)計(jì)導(dǎo)則（DOD導(dǎo)則）［2］。我國對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行歸納和延伸。2015 年頒布了《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范：CECS 392∶2014》［1］，此規(guī)范具有很強(qiáng)的可操作性并能很方便的指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 工程概況

某活動中心總建筑約36 680 m2，地下2層，地上3層建筑總高度19.5 m。建筑總平面以中央錐體結(jié)構(gòu)為中心向四周伸展出3 支翼體如圖1 所示，建筑效果圖如圖2所示，現(xiàn)場竣工實(shí)景圖如圖3所示。建筑立面折線形體，坡屋面貫穿各樓層坡度較大，中央錐體結(jié)構(gòu)為異形結(jié)構(gòu)。經(jīng)過結(jié)構(gòu)方案比選最終中央錐體采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系；3 支翼體采用混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土不同材料組成的體系之間采用弱連接［3］。

圖1 建筑總平面Fig.1 Building Master Plan

圖2 建筑效果Fig.2 Architectural Rendering

圖3 現(xiàn)場實(shí)景Fig.3 Scene Picture

預(yù)先在混凝土梁（柱）上埋置預(yù)埋件，樓層鋼梁與埋件采用鉸接連接，屋面鋼桁架與埋件通過鋼牛腿過渡如圖4所示。建筑主入口玻璃幕墻位置較易發(fā)生偶然事件，進(jìn)而導(dǎo)致中央錐體子結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌，本文選擇該處進(jìn)行評估分析。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)連接Fig.4 Steel Structure and Concrete Structure Connection

中央錐體鋼結(jié)構(gòu)在5.87 m、10.37 m、15.74 m 標(biāo)高有組合樓板樓面，中部斜鋼柱D650×20 貫穿各個(gè)樓層，其余方柱BOX550×550×24；樓層梁采用HN400×200，HN600×200，HN700×300，HM390×300 等H 型鋼；屋面采用種植屋面，覆土厚度600 mm，荷載較大。屋面梁采用H 型鋼組成的鋼桁架，最大懸挑長度5.5 m。中央錐體模型實(shí)體如圖5 所示，中央錐體安裝實(shí)景如圖6所示。

圖5 中央錐體模型實(shí)體Fig.5 Central Cone Model Entity

2 分析方法及子結(jié)構(gòu)模型

圖6 中央錐體安裝實(shí)景Fig.6 Central Cone Installation Real Picture

采用文獻(xiàn)［1］4.4.12條，線性靜力方法進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌計(jì)算。采用線彈性材料，計(jì)入P-△效應(yīng)，在拆除構(gòu)件的剩余結(jié)構(gòu)上一次靜力施加樓面重力荷載以及水平荷載，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算。中央錐體鋼結(jié)構(gòu)采用MIDAS/Gen2018 建立有限元模型進(jìn)行抗連續(xù)倒塌評估分析。梁柱采用梁單元，樓板采用等剛性彈性樓板模擬，玻璃幕墻忽略板剛度，模型中底部柱固定約束，相鄰混凝土外邊緣樓層簡化為自由端。根據(jù)文獻(xiàn)［1］4.4.2 條，房屋建筑一般選擇下列構(gòu)件作為被拆除構(gòu)件：①角柱、周邊靠近邊長中間的柱、內(nèi)部柱；被拆除構(gòu)件所在的樓層可為：底層以及柱截面尺寸改變的樓層。②工程經(jīng)驗(yàn)判斷有可能直接遭受偶然事件襲擊的構(gòu)件，以及拆除后可能導(dǎo)致剩余結(jié)構(gòu)不安全的構(gòu)件。本文選取比較容易直接遭到撞擊、爆炸等偶然事件襲擊的底層角柱、周邊柱作為敏感構(gòu)件（圖7 的柱1～柱3），對敏感構(gòu)件拆除失效后中央錐體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體抗連續(xù)倒塌評估分析［4］。

圖7 敏感構(gòu)件1層柱1～3Fig.7 Sensitive Component，F(xiàn)irst Floor Column 1～3

3 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌評估分析

文獻(xiàn)［1］4.4.5～4.4.10 條，采用線性靜力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌計(jì)算時(shí)，剩余結(jié)構(gòu)荷載組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值按下式：

組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值取重力荷載SV和水平風(fēng)荷載SL的共同作用；與被拆除柱的柱列相連的跨，且在被拆除柱所在層以上層的樓面重力荷載組合取SV1=2（DL+0.5LL）；與被拆除柱的柱列相連的跨，且在被拆除柱所在層以下層的樓面重力荷載組合取SV2=DL+0.5LL；與被拆除柱的柱列不相連各跨樓面重力荷載組合取SV3=DL+0.5LL。水平荷載組合值系數(shù)ψL取0.2，SLk水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值取風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值［1，5］。

文獻(xiàn)［1］4.1.7，4.4.16條，采用線性靜力方法進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌計(jì)算時(shí)，剩余結(jié)構(gòu)承載力滿足下式：

剩余結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值Rd驗(yàn)算時(shí)，采用現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范驗(yàn)算，鋼構(gòu)件的鋼材強(qiáng)度取屈服強(qiáng)度，比抗拉強(qiáng)度大1.1倍［1，5］。

3.1 1層柱1拆除

1 層柱1 拆除后2 層梁內(nèi)力重分布，柱1 位置梁負(fù)彎矩圖連續(xù)分布如圖8?所示，本層梁應(yīng)力比小于0.5如圖8?所示。1 層柱1 位置相連跨屋面鋼桁架支座處桿件有幾處應(yīng)力比達(dá)到1.0如圖9所示，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生連續(xù)倒塌［6-9］。

3.2 1層柱2拆除

圖8 1層柱1拆除后2層梁彎矩圖及應(yīng)力比Fig.8 Bending Moment Diagram and Stress Ratio of the Second Floor Beam after the 1st Floor Column 1 is Removed

圖9 1層柱1拆除后屋面桁架應(yīng)力比等值線Fig.9 Roof Truss Stress Ratio Isoline after the 1st Floor Column 1 is Removed

1層柱2拆除后2層梁內(nèi)力重分布如圖10?所示，主梁支座應(yīng)力比1.07，局部應(yīng)力比超限如圖10?所示。

對應(yīng)1 層柱2 位置相連跨屋面桁架最大應(yīng)力比1.91 如圖11 所示，多處桿件應(yīng)力比超限，易發(fā)生連續(xù)倒塌［6-9］。

圖10 1層柱2拆除后2層梁彎矩圖及應(yīng)力比Fig.10 Bending Moment Diagram and Stress Ratio of the Second Floor Beam after the 1st Floor Column 2 is Removed

圖11 1層柱2拆除后屋面桁架應(yīng)力比等值線Fig.11 Roof Truss Stress Ratio Isoline after the 1st Floor Column 2 is Removed

3.3 1層柱3拆除

1層柱3拆除后2層梁內(nèi)力重分布如圖12?所示，但主梁支座應(yīng)力比1.3局部應(yīng)力比超限如圖12?所示。對應(yīng)1 層柱3 位置相連跨屋面桁架最大應(yīng)力比1.52如圖13所示，多處桿件應(yīng)力比超限易發(fā)生連續(xù)倒塌［6-9］。

圖12 1層柱3拆除后2層梁彎矩圖及應(yīng)力比Fig.12 Bending Moment Diagram and Stress Ratio of the Second Floor Beam after the 1st Floor Column 3 is Removed

圖13 1層柱3拆除后屋面桁架應(yīng)力比等值線Fig.13 Roof Truss Stress Ratio Isoline after the 1st Floor Column 3 is Removed

4 結(jié)論

⑴按照文獻(xiàn)［1］進(jìn)行抗連續(xù)倒塌評估分析。選擇1 層3 根柱作為敏感構(gòu)件，采用拆除構(gòu)件法對敏感構(gòu)件失效后子結(jié)構(gòu)整體抗連續(xù)倒塌能力進(jìn)行評估。

⑵拆除敏感構(gòu)件后，剩余結(jié)構(gòu)能很好的形成新的傳力路徑，結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生重分布，彎矩內(nèi)力圖連續(xù)。

⑶拆除敏感構(gòu)件后，對剩余結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)倒塌能力分析表明：中央錐體結(jié)構(gòu)冗余度較高，不會發(fā)生連續(xù)倒塌；柱2、3 位置結(jié)構(gòu)冗余度稍低，1 層局部桿件應(yīng)力比超限不易發(fā)生連續(xù)倒塌，屋面采用種植屋面恒載較大較多桿件應(yīng)力比超限，會失去正常使用功能發(fā)生連續(xù)倒塌。工程中對重載屋面連續(xù)倒塌要引起足夠重視，項(xiàng)目運(yùn)行過程中加強(qiáng)對該區(qū)域的健康監(jiān)測。