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。     

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。     

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。     

竖向不规则钢-混凝土混合框架静力非线性分析

根据高阶振型对结构位移的贡献,提出基于多振型侧向力分布形式用于竖向不规则结构的静力非线性分析。通过静力非线性分析和动力时程分析结果的对比,验证了侧向力分布形式的准确性。为研究不规则程度对混合结构非线性行为和破坏模式的影响,改变混凝土框架的刚度和强度形成6个竖向不规则混合结构。通过对不规则混合结构层间能力系数的计算,初步判断混合结构刚度和强度的竖向不规则分布特征,评估可能存在的薄弱层和结构破坏模式。采用所提出的侧向力分布形式分别对结构模型进行静力非线性分析,得到混合结构模型的塑性铰开展特征和层间位移角分布,结果表明:混合结构刚度和强度的不规则程度直接影响结构非线性行为和破坏模式,较均匀的层间能力系数分布能够避免结构中出现明显的薄弱层,使结构破坏模式更加合理。     

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。     

钢管钢筋混凝土短柱火灾后剩余承载力试验与有限元分析

为研究圆钢管钢筋混凝土轴压短柱火灾后剩余承载力,在标准升降温全过程曲线作用下,进行了在核心混凝土中配置纵向受力钢筋的6根圆钢管钢筋混凝土短柱的明火试验;基于ABAQUS有限元分析软件建立了钢管钢筋混凝土轴压短柱温度场和火灾后力学场分析模型,模型分析结果与试验结果吻合较好,并利用该模型对影响圆钢管钢筋混凝土轴压短柱火灾后剩余承载力的主要参数进行分析。试验结果表明:钢管钢筋混凝土短柱受火后仍具有较高的承载力;升温时间和构件的截面尺寸是影响圆钢管钢筋混凝土轴压短柱火灾后剩余承载力的主要因素;基于常用范围内参数提出圆钢管钢筋混凝土短柱火灾后剩余承载力的实用计算式,可为实际工程中该类构件的火灾后加固提供参考。     

火灾下工程结构连续性倒塌分析与设计方法探讨

给出了火灾下工程结构连续性倒塌的定义,分析了工程结构在火灾作用下的特点,并给出了火灾连续性倒塌判断流程。在介绍目前常用的工程结构抗连续性倒塌分析设计方法的基础上,提出了采用替代路径法中的非线性静力分析方法对建筑结构进行火灾作用下抗连续性倒塌设计的思路。     

基于Pushdown方法的圆钢管混凝土柱-钢梁框架抗连续倒塌机制分析

为研究结构在关键构件失效后的抗连续倒塌机制,基于ABAQUS纤维梁-柱单元建立了钢管混凝土柱-钢梁框架的有限元模型,钢材及核心混凝土材性分别调用课题组基于ABAQUS软件开发的材料本构子程序i Fiber LUT中的i Steel05和i Concrete01。采用Pushdown分析方法,对长边中柱失效、短边中柱失效、内部柱失效和角柱失效等4种典型工况下的连续倒塌进行了分析,研究典型柱失效后剩余结构的抗连续倒塌机制。研究结果表明:纤维梁-柱单元模型可以精准地分析空间框架连续倒塌性能。4种柱工况下结构的抗连续倒塌能力由大到小为:短边中柱失效、内部柱失效、长边中柱失效、和角柱失效。     

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。     

支撑布置对火灾下钢框架结构抗连续性倒塌性能影响研究

研究了支撑布置对火灾下钢框架结构抗连续性倒塌性能的影响。考虑水平和竖向两种支撑布置形式,前者沿水平向布置在结构顶部,后者布置在结构各楼层,分别考虑其布置在结构边缘或者内部的情况。应用OpenSees软件对某7跨8层平面钢框架结构模型进行了数值分析。结果表明,火灾下结构倒塌始于受火柱的屈曲,该局部破坏向周边传播,导致整体结构下沉式倒塌或侧向倾覆式倒塌。竖向支撑可有效抑制结构的侧向倒塌,但容易导致底层柱的依次屈曲,不建议单独使用;通过将竖向支撑布置在结构内部,可有效阻止破坏向周边结构传播;水平支撑通过平均分配各柱轴压力,有效抑制周边柱的压曲,但容易造成结构局部或是整体侧向倒塌;同时应用两种支撑可有效提高结构抗倒塌性能。     

应用损伤指数的框架结构倒塌数值模拟分析

为了研究地震作用下框架结构的倒塌破坏过程,改进了原有的双参数损伤指数模型.采用非线性动力有限元法计算了结构在地震作用下的弹塑性位移时程反应,以改进的基于变形和耗能的双参数构件损伤模型计算了构件的损伤指数,并且采用加权法计算了结构的整体损伤指数.采用基于"三水准"损伤指数的抗震设防目标,对结构倒塌破坏过程进行了定量的评估,分析结果表明,改进后的损伤指数模型能定量化、连续化地描述结构的倒塌破坏过程.     

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。     

方钢管混凝土柱-外环板式组合梁节点抗连续性倒塌性能分析

以中柱失效工况下的方钢管混凝土柱-外环板式组合梁节点为研究对象,采用ABAQUS分析其抗连续性倒塌全过程工作机理,计算荷载-位移曲线、节点破坏形态等,分析了楼板在组合节点连续性倒塌过程中的作用,并对影响组合节点抗连续性倒塌性能关键参数进行分析。结果表明:该类组合节点倒塌大致分为弹性阶段、弹塑性阶段、拱效应阶段、塑性阶段、混合机制阶段、悬链线效应阶段。楼板的拱效应可提升节点初期承载力,同时钢筋的拉结作用可以增强节点悬链线效应,但拉结作用的发挥与抗剪连接件有关,因此在设计施工中应重视楼板与钢梁连接的设计,确保其连接可靠,并更好地利用楼板的拱效应与悬链线效应。通过参数分析可知,增加钢梁强度与钢梁翼缘、腹板的厚度可以显著提高组合节点抗连续性倒塌性能。楼板混凝土强度的增加仅提高节点倒塌初期的承载力。     

基于损伤指数的框架结构损伤演化研究

采用改进的损伤指数模型,定量地描述了框架结构在地震作用下的倒塌破坏过程,应用所编制的Matlab语言程序,计算了框架结构构件及结构损伤指数。拟合了梁、柱及结构整体的损伤演化方程,研究了框架结构倒塌破坏的损伤演化规律。提出了以层数和时间为变量的梁和柱的双变量损伤演化方程。通过损伤指数的最佳拟合方程可见,结构整体损伤演化规律与柱子的损伤演化规律相同,均符合指数函数形式发展规律,符合“强柱弱梁”的设计原则。     

桁架转换钢筋混凝土井塔结构抗震性能研究∗

为研究罕遇地震作用下桁架托柱转换井塔结构的抗震性能 ,通过 PERFORM?3D、PKPM/SATWE 与 SAP2000 软件,分别对某桁架托柱转换井塔结构进行了静力弹塑性分析和动力弹塑性分析。研究抽柱前后井塔结构整体和关键构件的地震响应及破坏机制,得到了在罕遇地震作用下的层间位移角、基底剪力、顶点位移、结构塑性状态过程及转换桁架、框架柱、框架梁、连梁、剪力墙的内力变化和破坏状况。结果表明：在罕遇地震作用下,抽柱后结构的动力特性变化不大,整体结构具有良好的抗震性能,最大层间位移角为 4.4‰,符合规范要求;抽柱后基底剪力较抽柱前有所减小,但结构刚度满足要求;抽柱后的顶点位移略大于抽柱前的顶点位移,证明抽柱后结构的整体刚度略有降低;抽柱后屈服机制与原结构基本相同;转换桁架弯曲、剪切、轴向变形均未进入基本运行状态,具有良好的抗震性能;框架梁和连梁截面的抗剪承载力利用率变化不大,框架柱截面最大抗剪承载力利用率均值有所增大但依然满足要求,不会产生剪切脆性破坏,而剪力墙整体的抗剪承载力利用率均值偏低,建议适当减小剪力墙厚度,提高截面抗剪承载力利用率;抽柱后剪力墙扶壁柱的纤维应变发生了变化,最大拉应变小于钢筋的极限拉应变,钢筋未发生严重屈服,最大压应变小于混凝土的极限压应变。     

板式楼梯连接方式对RC框架结构的抗震性能影响

利用有限元软件SAP2000,分别对是否考虑楼梯间参与建模、梯间框架角柱加强、采用滑动连接和增设梯柱方案等5种模型进行静力弹塑性分析,从结构的性能点、层间位移角、刚度退化、屈服机制等多个角度研究上述因素对框架结构抗震性能的影响方式和规律。结果表明:梯间框柱加强和放式连接均可增大结构的延性,而滑动连接的增幅最大,同时对结构性能点的影响也最显著;对比各结构的刚度退化现象,滑动连接在保持结构抗侧刚度稳定方面效果良好;屈服机制方面,抗式连接中的楼梯间受损严重,同时,增设梯柱方案中梯柱的严重破坏,可能导致楼梯间倒塌,而滑动连接效果较为理想,但需对相关构件进行加强。     

不同约束方式下钢筋混凝土短柱火灾后(下)力学性能的试验研究

为研究钢筋混凝土短柱在相邻构件约束条件下,并经荷载和火灾共同作用后的力学性能,开展了18根受不同约束方式作用的钢筋混凝土短柱火灾后(下)力学性能的试验研究。获得了火灾后(下)钢筋混凝土短柱的剩余承载力、剩余轴压刚度、荷载—轴向变形关系曲线,分析讨论了约束方式、标准升温时间及荷载比等对火灾后钢筋混凝土短柱力学性能的影响。研究结果表明,火灾下和火灾后钢筋混凝土柱试件的破坏模式类似,但后者的混凝土表面裂纹以及剥落较前者严重;不论是火灾下还是火灾后,恒刚度约束的试件破坏较恒荷载约束严重;且恒荷载约束条件下得到的试件耐火极限大于恒刚度约束条件下得到的耐火极限。     

强震作用下钢筋混凝土框架结构倒塌破坏的三维仿真分析

近年来强烈地震造成的钢筋混凝土框架结构倒塌破坏日益受到关注。本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对强震作用下钢筋混凝土框架结构,从弹性工作阶段到构件开裂直至倒塌破坏的全过程进行了三维非线性仿真分析,仿真结果与真实倒塌过程吻合较好。证明了框架结构底层抗震能力薄弱,由梁柱连接部位的剪切破坏引起的节点区混凝土碎裂是导致结构倒塌的主要原因。同时也说明通过合理选取计算参数和计算模型,可以成功地再现钢筋混凝土框架结构倒塌破坏的全过程,从而发现其在强震作用下的薄弱环节,为揭示框架结构倒塌破坏机理以及提高结构的抗震性能提供理论分析依据。     

SRC异形十字边框柱-RC剪力墙抗震性能分析

针对钢筋混凝土剪力墙抗震性能不足的缺陷,在剪力墙的边缘设置SRC异形边框柱,提出了一种新型混合剪力墙结构。为验证SRC异形十字边框柱-RC剪力墙的抗震性能,基于开源分析程序Opensees,剪力墙采用分层壳单元,外围SRC异形柱框架采用纤维梁柱单元,对缩尺比为1∶2.5的模型结构进行静力弹塑性分析和滞回性能分析。得到构件不同轴压比情况下的pushover曲线、边框柱、剪力墙承担的剪力分配情况、滞回曲线以及等效粘滞阻尼系数。研究结果表明:剪力墙承担了大部分剪力,相比于RC剪力墙,SRC异形边框剪力墙的延性、抗剪承载力、极限位移以及耗能能力均有不同程度的提高,并且随着轴压比增大,提高系数下降。设置SRC异形边框柱有效地改善了RC剪力墙在地震作用下的抗震性能。     

异形柱组合框架结构力学性能有限元对比分析

对钢筋混凝土异形柱承载力低、轴压比限值低、节点薄弱和抗震性能不理想等特点,将异形柱分别与型钢混凝土结构和钢管混凝土结构相结合,基于OpenSees建立三层两跨平面实腹式异形柱中框架模型,进行静力推覆分析和滞回性能分析,通过改变轴压比参数,获得结构滞回曲线和骨架曲线,进一步分析其承载力、延性和耗能等相关力学特性。研究结果表明:同钢筋混凝土异形柱框架相比,型钢混凝土异形柱框架和钢管混凝土异形柱框架的承载力和延性均有提高;随着轴压比增大,两种异形柱框架的弹性刚度基本不变,但荷载一顶点位移曲线下降段越陡而导致延性降低;同样配筋率下,钢管混凝土异形柱框架的承载力和延性均高于型钢混凝土异形柱框架,并且可以提高施工速度;相关研究成果可为科研和工程设计提供研究参考。