基于OpenSees的火灾下钢结构连续性倒塌分析

主要研究了火灾下平面钢框架的连续性倒塌模式和机制。应用OpenSees软件,对某5跨8层平面钢框架结构模型进行数值分析,研究了荷载比、梁柱刚度比和火灾场景对结构倒塌模式的影响。结果表明,随着荷载比的增大,结构倒塌模式由侧向倾倒式倒塌变为整体下沉式倒塌;当梁柱刚度比较小时,由于梁的悬链性效应,使结构发生偏向受火开间的侧向位移直至倒塌(弱梁机制),当梁的刚度比较大时,破坏首先发生在框架底层柱,结构呈整体下沉式倒塌(强梁机制);火灾中水平和竖向分布易分别引起结构局部和整体的倒塌。     

关键构件失效后钢骨超高强混凝土框架抗连续倒塌能力分析

基于汶川地震后钢筋混凝土框架震害调查结果,选取首层角柱区域(包括框架柱、与该柱相连的节点)为关键构件,利用有限元分析软件ABAQUS,以抽除点位移、相邻构件轴向荷载为参考数据,对关键构件失效后钢骨超高强混凝土框架抗连续倒塌能力进行分析,讨论了建筑高度、地震波作用方向、有无填充墙、框架柱混凝土强度等级对剩余结构抗连续倒塌能力的影响。结果表明:1随着建筑高度的增加,框架结构抽除点处竖向位移的最大值略下降,首层相邻柱轴向荷载增加明显,框架结构易发生连续倒塌;2框架结构首层角柱区域失效后,Y向地震波作用下剩余结构震荡较大,抗震性能降低,易发生连续倒塌;3设置填充墙的框架结构,抽除点位置处竖向位移较小,结构整体的震荡不大,相邻构件的轴向荷载增长幅度减小,一定程度上提高了框架结构的抗连续倒塌能力;4框架柱使用强度等级较高的混凝土,一定程度上可以减小抽除位置处竖向位移,采用内置钢骨的超高强混凝土柱可提高框架结构抗连续倒塌能力。     

关键构件失效后钢骨超高强混凝土框架抗连续倒塌能力分析北大核心CSCD

基于汶川地震后钢筋混凝土框架震害调查结果,选取首层角柱区域(包括框架柱、与该柱相连的节点)为关键构件,利用有限元分析软件ABAQUS,以抽除点位移、相邻构件轴向荷载为参考数据,对关键构件失效后钢骨超高强混凝土框架抗连续倒塌能力进行分析,讨论了建筑高度、地震波作用方向、有无填充墙、框架柱混凝土强度等级对剩余结构抗连续倒塌能力的影响。结果表明:1随着建筑高度的增加,框架结构抽除点处竖向位移的最大值略下降,首层相邻柱轴向荷载增加明显,框架结构易发生连续倒塌;2框架结构首层角柱区域失效后,Y向地震波作用下剩余结构震荡较大,抗震性能降低,易发生连续倒塌;3设置填充墙的框架结构,抽除点位置处竖向位移较小,结构整体的震荡不大,相邻构件的轴向荷载增长幅度减小,一定程度上提高了框架结构的抗连续倒塌能力;4框架柱使用强度等级较高的混凝土,一定程度上可以减小抽除位置处竖向位移,采用内置钢骨的超高强混凝土柱可提高框架结构抗连续倒塌能力。     

方钢管混凝土柱-钢梁平面框架耐火性能研究

建立了局部火灾下多层多跨矩形钢管混凝土柱-钢梁平面框架温度场和力学性能分析的有限元模型。在考虑楼板影响的基础上,研究了保护层厚度不同时钢管混凝土框架结构的温度场分布规律。研究了不同受火工况条件下钢管混凝土框架结构的变形和破坏规律、耐火极限状态、受火梁的内力状态以及结构耐火极限的规律。分析表明,梁保护层厚度影响钢梁温度分布形式;火灾下,框架结构发生了受火梁的整体屈曲破坏。     

单层带支撑异形柱框架的高温性能研究

针对单层异形柱框架,通过高温数值分析,考察了支撑设置和受火位置对结构高温变形及内力的影响。研究结果表明:对于单层多跨异形柱框架,当只有一端有支撑跨时,会在一定程度上增大另一端的边节点水平位移和边柱侧向变形,对结构整体抗火不利;当左、右两端均有支撑跨时,非支撑跨在火灾作用下的梁轴力比很大,升温后期可能因梁跨中竖向位移急剧增大而发生破坏。基于上述研究结果,给出了4类单层带支撑异形柱框架火灾行为的初步判定方法。     

防屈曲支撑钢框架模块装配式结构及其抗震性能分析∗

防屈曲支撑是一种兼具承载和耗能的抗侧力构件,相比于普通支撑,具有耗能稳定且延性好的优点,在模块化结构中,防屈曲支撑可作为模块内单元,通过带防屈曲支撑模块单元装配的方式形成防屈曲支撑钢框架模块结构。提出了防屈曲支撑钢框架模块装配结构体系、防屈曲支撑在模块化结构中的设计要求以及结构体系设计方法,并以 20 层住宅楼为例进行设计,包括典型高层住宅及其模块划分及结构在小震和大震下的抗震性能进行分析。 反应谱分析结果表明：设计的模块化结构能满足规范对结构的各项要求。对布置了普通支撑与等刚度防屈曲支撑的模块化结构进行了静力弹塑性分析,静力弹塑性分析结果表明：在 8 度罕遇地震下,普通支撑结构部分支撑发生屈曲破环,布置等刚度的防屈曲支撑框架只有第二层出现塑性铰,结构能够经受 8 度罕遇地震的考验,防屈曲框架结构的初始刚度与普通框架结构一致,但极限承载力明显大于普通支撑框架结构;防屈曲支撑较普通支撑能显著提高模块化结构的承载力,且能率先屈服发挥耗能作用,保护主体结构安全,符合双重抗侧力体系的原则,防屈曲支撑钢框架模块装配式结构体系具有优越的抗震性能,有很好的应用前景。     

装配式RCS框架-屈曲约束支撑组合结构抗震性能研究

将屈曲约束支撑应用于装配式钢筋混凝土柱-钢梁组合框架结构(简称装配式RCS组合框架结构)中,若处理不当将会产生开合效应并导致相邻梁柱破坏。为有效减轻框架开合效应造成的破坏,提出基于梁端铰接的装配式RCS框架-屈曲约束支撑组合结构。在保证关键连接节点力学性能的前提下,设计某9层装配式RCS框架-屈曲约束支撑组合结构,采用基于OpenSees软件的动力弹塑性时程分析方法研究结构的抗震性能。结果表明,钢梁腹板开洞的装配式RCS节点、装配式混凝土柱-钢梁-屈曲约束支撑组合节点具有高承载、可装配和震后损伤小等特点,装配式RCS框架-屈曲约束支撑组合结构满足抗震规范要求,具有优良的抗震性能;梁-梁间的铰接连接不会影响屈曲约束支撑的耗能效果,且可以改变梁柱屈服机制,保证整体结构高效装配的同时减轻结构塑性损伤,有助于实现结构的功能可恢复。     

局部火灾引起整体钢结构倒塌初始破坏机理的试验研究北大核心CSCD

为研究局部火灾下整体钢结构倒塌的初始破坏机理,分别考虑中柱及边柱受火破坏类型,设计了4个平面钢框架结构进行火灾试验研究。试验在立体火灾试验炉内进行,采用恒载升温模式。试验过程中,首层中柱或边柱以及与之相连的钢梁受火,中间层钢柱和梁柱节点采取防火保护措施,受火柱底部与自制测力支座通过螺栓连接。通过试验得到了受火梁、柱的温度场分布和位移反应的变化规律,以及受火中柱的轴力变化过程,对引起整体钢结构倒塌的初始破坏过程和破坏机制进行了分析。     

局部火灾引起整体钢结构倒塌初始破坏机理的试验研究

为研究局部火灾下整体钢结构倒塌的初始破坏机理,分别考虑中柱及边柱受火破坏类型,设计了4个平面钢框架结构进行火灾试验研究。试验在立体火灾试验炉内进行,采用恒载升温模式。试验过程中,首层中柱或边柱以及与之相连的钢梁受火,中间层钢柱和梁柱节点采取防火保护措施,受火柱底部与自制测力支座通过螺栓连接。通过试验得到了受火梁、柱的温度场分布和位移反应的变化规律,以及受火中柱的轴力变化过程,对引起整体钢结构倒塌的初始破坏过程和破坏机制进行了分析。     

竖向不规则框架结构连续性倒塌分析

国内外学者利用非线性静力方法进行结构倒塌分析时,研究对象主要集中在规则的结构形式,而针对大量出现的造型独特的竖向不规则建筑的倒塌研究还相对较少。本文基于拆除构件法,利用SAP2000结构有限元软件,对竖向不规则多层框架结构进行了基于非线性静力Pushdown方法的抗连续性倒塌研究。分别研究了拆除同一结构中不同部位构件、不同层数塔楼结构中相同部位构件后剩余结构的承载力变化情况,研究结果表明:拆除竖向承重柱后的剩余结构承载力,随着上部塔楼层数的增加以及拆柱位置的上升而出现不同程度的降低;加强裙楼顶部水平向承重构件,可以使塔楼底部构件破坏后的剩余结构更好地发挥悬链线机制,并防止剩余结构发生无明显征兆的连续性倒塌。     

低延性支撑钢框架结构抗倒塌性能简化评估方法∗

为量化不同设计参数条件下低延性中心支撑框架结构的抗倒塌能力,基于增量动力分析方法,计算了单自由度中心支撑钢框架结构在不同地震强度作用下的反应,分析了储备承载力、储备刚度、结构周期、强度折减系数等设计参数对低延性结构抗倒塌性能的影响。根据计算结果,建立了不同参数条件下低延性中心支撑钢框架结构的倒塌富裕度计算公式,提出了基于该公式的结构抗倒塌性能简化评估方法,通过算例验证了该方法的适用性与准确性,为此类结构抗倒塌设计提供参考。     

山地掉层框架结构地震易损性分析

上接地柱为山地掉层结构的薄弱部位,掉层结构的破坏模式表现为上接地柱的率先破坏。对普通框架、掉层框架、带拉梁的掉层框架和采取改进措施的带拉梁掉层框架4个算例进行大震弹塑性分析和易损性分析,对比各结构的破坏模式和改进措施的效果。结果表明:与普通框架结构相比,普通掉层框架抗倒塌能力较弱,上接地楼层柱延性需求很大,大震下率先发生破坏;增设拉梁对掉层框架结构的破坏模式有一定的影响,但效果不太理想,且增设拉梁不能提高结构的抗地震倒塌能力;采取改进措施的带拉梁掉层框架结构效果非常显著,破坏模式和抗地震倒塌能力接近于普通结构。     

多高层钢结构耐火性能的子结构分析模型与分析方法

基于整体钢结构在局部火灾下的反应规律,将高层钢结构的初始倒塌破坏类型进行了分类(中间柱初始倒塌、边柱初始倒塌以及梁柱同时倒塌),根据整体结构约束影响和荷载影响,提出局部火灾下多高层钢结构耐火性能分析的相应子结构分析模型及其分析方法。子结构模型的边界充分考虑周围约束的影响,尤其是周围梁和上层柱构件以及层数的影响。针对不同类型的子结构模型,通过建立相应的具体子结构有限元模型,合理考虑边界条件的影响。最后基于建立的数值模型,研究了子结构的火灾反应规律与破坏机理,并与整体结构的分析结果进行了比较,结果表明:子结构分析模型与分析方法可以合理准确地分析整体结构的耐火性能。     

汶川地震典型教学楼附加BRB支撑防倒塌加固效果分析

以汶川地震震中附近的一栋典型RC框架结构为背景,采用BRB支撑加固来增强其抗震能力,并采用基于动力增量分析(IDA)的地震倒塌易损性分析方法,对加固后的抗倒塌能力及其影响参数进行了分析。结果显示,以结构抗倒塌能力为目标,BRB支撑方案的加固效果要好于普通支撑加固方案,相同参数情况下,A形支撑布置方案的加固效果好于X形支撑布置方案。     

RC框架结构地震破坏机理与抗倒塌研究现状与展望∗

多层钢筋混凝土(RC)框架结构地震破坏机理与抗倒塌设计理论一直是地震工程领域的研究热点。聚焦砌体填充墙对结构破坏模式的影响,从地震倒塌机理、结构破坏模式与成因剖析、抗地震倒塌设计理念3个方面对国内外开展的多层RC框架结构抗震研究进行了梳理、总结。结果表明:地震作用下实际工程及实验室模型难以出现设计预期的"强柱弱梁"破坏,设计细节和非结构构件均影响结构的地震破坏模式;改善填充墙与周围框架连接方式、增设翼墙或设置柔性填充墙一般均能保证结构的抗倒塌性能。     

基于纤维模型的钢框架连续倒塌抗力机制分析

利用基于纤维模型的梁柱单元建立了框架结构的连续倒塌分析模型。基于Pushdown分析方法,开展了不同破坏工况下的连续倒塌分析,研究局部破坏后剩余结构的连续倒塌抗力机制。分析结果表明,破坏位置不同,剩余结构的抗倒塌机制也不同。在中柱破坏的工况下,剩余结构具备由抗弯机制与悬链线机制提供的抗倒塌承载能力,并且在失效跨内仅有底部第1、第2层梁演化出悬链线效应机制并提供竖向抗倒塌承载力,其余梁体在抗弯机制失效后,未演化出悬链线效应机制。在边柱破坏的工况下,剩余结构仅具备由抗弯机制提供的抗倒塌承载能力,失效跨内梁体均未演化出悬链线效应机制。     

大长细比约束杆件屈曲后承载力简化计算方法

大跨度建筑空间中的火灾属于局部火灾,局部受火的网架结构由于其整体性会产生杆件间的约束效应,实际工程中网架结构的杆件长细比往往大于钢框架柱。目前对于网架结构中的约束杆件屈曲后承载力未见研究报道。根据假定的高温下约束杆件的变形形态建立内外力平衡方程,提出考虑初弯曲的网架结构中轴向约束杆件屈曲后轴力的简化计算方法,得到受火全过程轴力—温度的关系曲线,并发现初弯曲会使得长细比较大的约束杆件的应力增长速率明显减小。通过ABAQUS软件对网架结构中轴向约束杆件受火力学反应全过程进行了数值模拟,本文提出的简化计算方法与数值模拟结果吻合较好,为进一步分析网架杆件屈曲后承载力对整体结构抗火性能的贡献提供了理论依据。     

大长细比约束杆件屈曲后承载力简化计算方法北大核心CSCD

大跨度建筑空间中的火灾属于局部火灾,局部受火的网架结构由于其整体性会产生杆件间的约束效应,实际工程中网架结构的杆件长细比往往大于钢框架柱。目前对于网架结构中的约束杆件屈曲后承载力未见研究报道。根据假定的高温下约束杆件的变形形态建立内外力平衡方程,提出考虑初弯曲的网架结构中轴向约束杆件屈曲后轴力的简化计算方法,得到受火全过程轴力—温度的关系曲线,并发现初弯曲会使得长细比较大的约束杆件的应力增长速率明显减小。通过ABAQUS软件对网架结构中轴向约束杆件受火力学反应全过程进行了数值模拟,本文提出的简化计算方法与数值模拟结果吻合较好,为进一步分析网架杆件屈曲后承载力对整体结构抗火性能的贡献提供了理论依据。     

钢框架厂房火灾后的破坏形态

端部约束不同的构件在火灾中的破坏形态不同,研究整体结构构件在火灾中的破坏形态,可以为钢结构抗火研究与设计提供依据。某钢结构框架厂房发生火灾,大火历时3个多小时,火场最高温度达1000°C以上。火灾后,框架梁均有不同程度的破坏,钢梁端部下翼缘屈曲破坏较普遍;由于钢梁顶没有设置抗剪键,钢梁与顶部的混凝土现浇楼板脱开,火灾后残留有较大的挠屈变形;钢柱在火灾后未有明显的破坏现象,但有侧向变形产生。这些现象与实验室中标准试验的结果不同。     

钢框架连续倒塌动力效应研究

为了研究钢框架连续倒塌动力效应,采用瞬时加载法对平面和空间钢框架柱失效后动力效应进行了研究。采用基于等效塑性转角和等效竖向位移的荷载增大系数来衡量结构的动力效应,分析跨数、层数、高宽比、柱失效位置、节点转动刚度及空间作用等参数对结构动力效应的影响,研究成果可为抗连续倒塌设计提供参考。