混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力研究及加固措施

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1、混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力研究及加固措施摘要：本文對按照我國現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）設(shè)計(jì)的四層混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了連續(xù)倒塌分析。主要參照DOD2009提供的設(shè)計(jì)流程，基于SAP2000通用軟件，采用拆除構(gòu)件法，分析結(jié)構(gòu)在單個柱失效情況下的抗倒塌能力。對其抗倒塌能力薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固，并分析了我國現(xiàn)行規(guī)范要滿足框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)需要的加固環(huán)節(jié)和范圍，為今后框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)用的方法。關(guān)鍵詞：混凝土框架；連續(xù)性倒塌；拆除構(gòu)件法；加固措施；數(shù)值模擬中圖分類號：TU37文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1．引言結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是由偶然荷

2、載造成結(jié)構(gòu)的局部破壞，進(jìn)而引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致破壞向結(jié)構(gòu)的其它部分?jǐn)U散，最終使結(jié)構(gòu)主體喪失承載能力，造成大范圍坍塌。近年來，由于火災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害、恐怖襲擊、燃?xì)獗ǖ纫l(fā)的連續(xù)倒塌正對人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的威脅，并產(chǎn)生嚴(yán)重的社會影響。因而抗連續(xù)倒塌問題已日益受到公眾的關(guān)注和研究者的重視，并成為近年來結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。6國際上，對結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌問題已進(jìn)行了四十多年的研究，從1968年英國RonanPoint公寓樓倒塌事件開始，此后的十余年中，出現(xiàn)了很多連續(xù)倒塌領(lǐng)域的權(quán)威論文。1995年美國的俄克拉荷馬市爆炸事件之后，很多工作者針對該事件中建筑物的破壞撰寫了一些關(guān)于

3、倒塌破壞和連續(xù)性的調(diào)查研究論文。其中有很多文章指出了未來設(shè)計(jì)規(guī)范中需要考慮的設(shè)計(jì)推薦標(biāo)準(zhǔn)。自2001年美國9•11事件后，土木工程界對建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的關(guān)注程度居于最高水平。[1]目前，一些國外的規(guī)范中均有改善結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的相關(guān)規(guī)定。英國是最早對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的國家之一。為了防止結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌，英國設(shè)計(jì)規(guī)范6BS8110[2]提出了三個準(zhǔn)則:首先控制事件的發(fā)生，也就是消除或減少偶然事件的發(fā)生;其次保證結(jié)構(gòu)具備一定的連續(xù)性和冗余度;此外對關(guān)鍵構(gòu)件要明確考慮偶然作用的影響。歐洲的Eurocode1[3]規(guī)定，結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度以抵御可

4、預(yù)測或不可預(yù)測的意外荷載，規(guī)范中分兩個方面進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)，一方面基于具體的意外事件，另一方面獨(dú)立于意外事件，該設(shè)計(jì)的目的在于控制意外事件造成的局部破壞。該規(guī)范采用了拉結(jié)強(qiáng)度法、拆除構(gòu)件法和關(guān)鍵構(gòu)件法三種方法。美國混凝土協(xié)會編制的ACI318-02中要求，構(gòu)件的配筋和構(gòu)件的連接構(gòu)造應(yīng)有效的保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的拉結(jié)連接，改善結(jié)構(gòu)的整體性。美國公共事務(wù)管理局編制的《聯(lián)邦政府辦公樓以及大型現(xiàn)代建筑連續(xù)倒塌分析和設(shè)計(jì)指南》（GSA2003）[4]和美國國防部編制的《建筑抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)》修訂版（DOD2009）[5]詳細(xì)的闡述了結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)方法及流程。而我國現(xiàn)行的規(guī)范

5、中尚未規(guī)定詳細(xì)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法。建筑結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌研究的常用方法有數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。湖南大學(xué)易偉建等對縮尺的四層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了連續(xù)倒塌破壞試驗(yàn)，用于驗(yàn)證數(shù)值模擬分析結(jié)果的可靠性[6]，因此數(shù)值模擬仍是研究結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的重要方法。美國波士頓東北大學(xué)的Sasani等人運(yùn)用SAP2000預(yù)測分析了一棟10層鋼筋混凝土建筑在首層一根外柱爆炸后（突然拆除）和一棟6層鋼筋混凝土填充墻結(jié)構(gòu)同時(shí)拆除兩根毗鄰?fù)庵ㄒ桓鶠榻侵┖蠼Y(jié)構(gòu)的響應(yīng)。與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較表明軟件在預(yù)測拆除柱上方節(jié)點(diǎn)的最終位移上非常精確[7]?，F(xiàn)有國外規(guī)范中提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)方法主要可以歸

6、納為四種：概念設(shè)計(jì)法、拉結(jié)強(qiáng)度法、拆除構(gòu)件法和局部加強(qiáng)法。本文參照DOD2009提供的設(shè)計(jì)流程，采用拆除構(gòu)件法對一棟4層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗連續(xù)倒塌分析。2．美國關(guān)于建筑抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)有關(guān)要求在抗連續(xù)倒塌總向?qū)е校珿SA20036要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的多余約束性能、連接性能、延性和較強(qiáng)的抗反向荷載和抗剪切破壞能力。基于設(shè)計(jì)效率和實(shí)用性，GSA推薦設(shè)計(jì)過程中采用靜力線彈性計(jì)算方法。在對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)中，DOD2009采用多重荷載路徑設(shè)計(jì)方法，它要求“拿掉”一個豎向承力構(gòu)件后的模型具有足夠的跨越能力，不允許任何構(gòu)件發(fā)生完全失效破壞。首先按照DOD

7、2009規(guī)范施加荷載，荷載組合為1.2DL+0.5LL+0.2WL（1）其中DL為恒荷載；LL為活荷載；WL為風(fēng)荷載。線性靜力分析時(shí)，在拆除承重柱上部相鄰開間施加2（DL+0.5LL）的等效靜力荷載，其它部位施加（DL+0.5LL）的荷載。構(gòu)件的失效準(zhǔn)則采用通用的性能指標(biāo)DCR（DemandcapacityRatio）評估構(gòu)件塑性能力的大小與分布，即DCR=QUD/QCE其中，QUD指按照線性靜力分析所得構(gòu)件的作用力（彎矩、軸力、剪力或組合內(nèi)力），QCE指實(shí)際構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)所能承受的極限承載力（彎矩、軸力、剪力或組合內(nèi)力）。此時(shí)材料強(qiáng)度取其標(biāo)準(zhǔn)值并乘以1.25的增大