陳俊嶺，彭文兵，黃 鑫

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092）

建筑物的連續(xù)倒塌是指結(jié)構(gòu)體系發(fā)生局部破壞后，破壞由一個(gè)構(gòu)件向另一個(gè)構(gòu)件擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生整體坍塌或大范圍倒塌［1］.近年來發(fā)生了多起體育場館倒塌事故，例如，2004年2月15日莫斯科德蘭士瓦水上樂園5 000m2的玻璃屋頂發(fā)生整體坍塌，死傷百人；2006年1月2號德國巴特賴興哈爾小鎮(zhèn)一1 800m2溜冰場因積雪頂部發(fā)生整體坍塌；2009年6月3日馬來西亞蘇丹米占再納阿比丁5萬人體育場頂蓋發(fā)生整體坍塌；2009年2月1日巴拉圭首都亞松森體育場混凝土樓板突然坍塌.上述公共建筑或由于設(shè)計(jì)缺陷，或由于施工質(zhì)量，或由于屋頂積雪等原因發(fā)生坍塌，不但造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還造成眾多無辜群眾喪生.因此，近年來，各國學(xué)者對建筑物的抗連續(xù)倒塌性能非常關(guān)注，主要研究手段是對已有結(jié)構(gòu)的災(zāi)害調(diào)查評估和數(shù)值模擬分析.

由于各類突發(fā)事件（例如煤氣爆炸、恐怖襲擊、汽車撞擊和局部超載等）的不可預(yù)見性和難以量化的特性，近十幾年來，相關(guān)研究人員開始采用試驗(yàn)手段研究節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件甚至足尺框架的抗倒塌性能.Astaneh－Asl等［1］提出在樓板內(nèi)設(shè)置鋼索以防止柱子失效時(shí)樓板坍塌造成框架結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌，并通過一單層1×4跨框架進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.易偉建等［2］采用擬動力的方法，對一比例為1∶3的4跨3層的鋼筋混凝土平面框架的模型進(jìn)行了倒塌試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，按常規(guī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有一定的冗余度，結(jié)構(gòu)在發(fā)生局部破壞后具有抗連續(xù)倒塌能力.張凡榛等［3］采用靜載試驗(yàn)?zāi)M一4 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)無梁樓板下支撐構(gòu)件的失效，試驗(yàn)結(jié)果表明，樓板的壓力薄膜作用使得其承載能力比屈服線理論計(jì)算值提高40%左右.王磊等［4］對一空間桁梁結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了倒塌試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明構(gòu)件承載力富余程度的高低及空間效應(yīng)是結(jié)構(gòu)抗倒塌性能的主要因素.何慶峰等［5］研究了鋼筋混凝土柱失效情況下，梁柱子結(jié)構(gòu)在考慮懸索作用效應(yīng)時(shí)的抗倒塌性能，得出鋼筋的均勻拉伸以及強(qiáng)度是影響梁柱構(gòu)件發(fā)展懸索作用，提高結(jié)構(gòu)抗倒塌性能的兩個(gè)重要因素.

鋼結(jié)構(gòu)因輕質(zhì)高強(qiáng)、施工方便、建造周期短等特點(diǎn)在工業(yè)及民用建筑中應(yīng)用日益增多，鋼框架結(jié)構(gòu)體系采用組合樓板時(shí)，鋼梁上翼緣通過抗剪連接件與混凝土板形成組合梁，在豎向荷載作用下，鋼梁承受拉力，混凝土翼緣板承受壓力，可以充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，顯著地提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度.雖然一些學(xué)者已經(jīng)針對鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能開展了一些數(shù)值研究，但是關(guān)于此類結(jié)構(gòu)體系的抗倒塌試驗(yàn)的研究尚不多見.本文以一足尺兩層兩跨空間鋼框架結(jié)構(gòu)為研究對象，對柱腳和梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，通過卷揚(yáng)機(jī)施加水平力，以模擬鋼柱在結(jié)構(gòu)體系中的突然失效，分析其在豎向荷載下單根中間柱突然失效后框架的受力性能.

1 試驗(yàn)概況

UFC準(zhǔn)則［6］采用3種方法對結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力進(jìn)行設(shè)計(jì)：拉結(jié)力法、備用荷載路徑法和提高局部抗力法.其中，拉結(jié)力法是使樓板和豎向承重構(gòu)件滿足一定的承載力要求，保證結(jié)構(gòu)在局部構(gòu)件破壞后可以達(dá)到新的平衡，避免發(fā)生連續(xù)倒塌；備用荷載路徑法通過“去除”結(jié)構(gòu)的某根豎向承載構(gòu)件（柱子），分析結(jié)構(gòu)在原有荷載作用下發(fā)生內(nèi)力重分布后能否避免發(fā)生連續(xù)倒塌.提高局部抗力法則是通過對結(jié)構(gòu)體系重要但相對薄弱的局部構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)來提高體系的抗連續(xù)倒塌能力.文中試驗(yàn)框架按現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017—2003）［8］進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)中使單根柱失效來測量結(jié)構(gòu)體系的反應(yīng)，也即通過備用荷載路徑方法來評估結(jié)構(gòu)體系的抗倒塌性能.

1.1 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)框架為2×2跨2層鋼框架（圖1），框架柱和框架橫梁（X－B7—X－B8，X取為1和2，下同）材料為Q235B，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa；框架縱梁（X－B1—X－B6）材料為Q420B，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為380 MPa；樓板混凝土標(biāo)號為C40，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為19.1 MPa；鋼筋為HPB235.框架柱截面均為寬翼緣型鋼HW150×150，框架梁X－B1，X－B2，X－B5及XB6截面為窄翼緣型鋼HN150×75，框架梁X－B3，X－B4截面為中翼緣型鋼HM200×125.框架梁通過焊于框架柱上的短懸臂梁剛性連接，框架梁翼緣與短梁翼緣對接焊，腹板采用8.8級高強(qiáng)螺栓拼接，節(jié)點(diǎn)連接板接觸表面噴砂.樓板為壓型鋼板—混凝土組合 板，壓 型 鋼 板 規(guī) 格 為YXB51－250－750（1.0 mm），上方混凝土板凈厚80mm.鋼梁上翼緣焊接剪力釘，混凝土板內(nèi)配置雙層雙向Φ8＠150鋼筋.

圖1 試驗(yàn)框架平面和剖面圖（單位：mm）Fig.1 Plan and elevation layout of the test frame（unit：mm）

試驗(yàn)框架設(shè)計(jì)時(shí)，框架梁剛度考慮組合樓蓋的作用，按《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99—98）［8］中7.1.1條組合梁考慮，在試驗(yàn)最大堆載作用下框架梁應(yīng)力比在0.85～0.95之間，框架柱的軸壓比為0.3 左右.將鋼柱B3 直接從計(jì)算模型中刪除后，經(jīng)線彈性分析，鋼梁X－B1，X－B2因跨度增大一倍應(yīng)力比達(dá)到1.35，框架梁1－B7應(yīng)力比達(dá)到1.25，框架梁應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)應(yīng)力.

鋼柱B3上下兩端設(shè)計(jì)為鉸接，上端通過滾軸與框架梁直接接觸傳遞豎向荷載（圖2a），下端與試驗(yàn)室地槽通過銷軸雙剪連接（圖2b），鋼柱B3（位于?軸和③軸交點(diǎn)，下同）為邊跨中柱，主要承受軸向壓力.通過上端的滾軸設(shè)計(jì)，在鋼柱B3的上端突然施加水平力，當(dāng)水平力克服接觸面的摩擦力時(shí)，鋼柱即可與梁脫開；下端銷軸連接，使得鋼柱脫離鋼梁時(shí)鋼柱不至于甩出，保證試驗(yàn)安全（圖3）.

圖2 鋼柱B3連接節(jié)點(diǎn)Fig.2 Connections of Column B3

1.2 加載方案

1層樓面永久荷載按5.0kN·m－2考慮，活載按2.5kN·m－2考慮；2層樓面永久荷載按6.0kN·m－2考慮，活載按0.5kN·m－2考慮，部分樓面考慮0.5kN·m－2的吊頂荷載.考慮1.2的永久荷載分項(xiàng)系數(shù)和1.4的活載及吊重分項(xiàng)系數(shù)，計(jì)算作用區(qū)域的等效均布荷載如表1所示.設(shè)計(jì)鋼梁時(shí)考慮混凝土樓板的作用，按組合梁對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析.鋼柱B3失效后，鋼梁因跨度突然增大1倍應(yīng)力發(fā)生突變，本試驗(yàn)的主要目的是測試框架結(jié)構(gòu)中單根柱失效后結(jié)構(gòu)體系是否發(fā)生坍塌.未堆載時(shí)，采集各測點(diǎn)應(yīng)變作為初始狀態(tài)，之后通過分級堆載施加豎向荷載，堆載區(qū)域見圖4，圖中qxy為樓面上堆載.樓面堆載至設(shè)計(jì)荷載時(shí)，用卷揚(yáng)機(jī)在鋼柱B3上端突然施加水平力，將其突然拉倒以模擬突然失效.

表1 加載參數(shù)Tab.1 Loading parameters

1.3 測點(diǎn)布置

鋼柱B3作為外中柱，其失效后直接影響部位為其上方的框架梁，在破壞柱失效后內(nèi)力變化較大的框架梁、柱的不同部位共布置了55片應(yīng)變片SG1—SG55，并在2層和1層鋼柱B3處布置了2個(gè)豎向位移計(jì)DG1，DG2（圖5）.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 失效柱及相鄰柱內(nèi)力變化

鋼材的彈性模量為2.06×105MPa，框架梁、柱中的軸力、彎矩由各測點(diǎn)所測得的應(yīng)變值計(jì)算得到.圖6為鋼柱B3失效后振動衰減至穩(wěn)定時(shí)臨近柱的軸力、彎矩值.由圖6a可以看出，鋼柱B3失效前后，相對于臨近柱，鋼柱B2 的軸力變化最大，鋼柱A3和C3亦發(fā)生明顯變化，鋼柱A2和C2因離鋼柱B3較遠(yuǎn)軸力變化較小.這主要是由于鋼柱B3失效后，原來由鋼柱B3承擔(dān)的豎向力64.8kN 通過與其直接相連的鋼梁X－B1，X－B2及X－B7傳遞給相鄰柱，即鋼柱B2，A3 和C3，其中B2軸力增加74.9kN，A3和C3軸力分別增加21.8kN 和19.7kN.由圖6b可以看出，各柱所承受的彎矩在鋼柱B3 失效前后均有不同程度的變化，鋼柱B3 雖然位于對稱軸上，但由于制作、安裝誤差以及荷載可能的不對稱分布等不定因素承受彎矩，但彎矩所引起的正應(yīng)力較小，約為15 MPa，其他各柱由彎矩引起的正應(yīng)力更小.

2.2 鋼梁上翼緣應(yīng)變變化

圖5 應(yīng)變和位移計(jì)位置示意圖（單位：mm）Fig.5 Location of strain gauges and displacement transducers（unit：mm）

圖6 鋼柱B3失效前后臨近柱軸力和彎矩Fig.6 Internal forces of Column B3and its adjacent columns

由圖7a和b可以看出，鋼梁1－B 1和2－B 1中上翼緣應(yīng)變在鋼柱B3失效后的變化較為相似：近原點(diǎn)處梁上翼緣拉應(yīng)變在鋼柱B3破壞后顯著增大，而接近4 000mm（鋼柱B3上端）處的拉應(yīng)變銳減，2 000 mm 處的應(yīng)變變化較小.由圖7c和d可以看出，鋼梁1－B1和2－B1中下翼緣應(yīng)變亦發(fā)生較大變化：近原點(diǎn)處鋼梁下翼緣壓應(yīng)變在鋼柱B3失效后顯著增大，近4 000mm 處鋼梁下翼緣由壓應(yīng)變變?yōu)槔瓚?yīng)變，2 000 mm 處應(yīng)變變化較小.這主要是由于鋼柱B3 失效后，鋼梁1－B1和1－B2由2根梁變成1根梁，跨度增加1倍，內(nèi)力進(jìn)行重分配，鋼柱B3失效前，附近鋼梁由于鋼柱B3的支承作用承受負(fù)彎矩，混凝土樓板及鋼梁上翼緣受拉，鋼梁下翼緣受壓；鋼柱B3的支承作用突然消失后，鋼梁所受負(fù)彎矩變?yōu)檎龔澗?，該處混凝土樓板由受拉變?yōu)槭軌?，鋼梁上翼緣所受拉力減小，鋼梁下翼緣則由受壓突變?yōu)槭芾?同時(shí)由于負(fù)彎矩處組合梁的截面剛度主要由鋼梁和混凝土翼緣板內(nèi)的縱向鋼筋提供，抗彎剛度相對較小，鋼柱B3失效后此處彎矩變?yōu)檎龔澗?，組合梁截面剛度由混凝土翼緣板抗壓、鋼梁抗拉提供，抗彎剛度大大提高，因此近4 000mm 處鋼梁上翼緣仍然受拉，壓力由混凝土樓板承受.

由圖8可以看出，鋼梁1－B2和1－B7在鋼柱B3失效后，各測點(diǎn)應(yīng)變均有明顯變化.其中，縱梁1－B2近鋼柱B3端應(yīng)變片SG41和SG42變化幅度為200×10－6～250×10－6，橫梁1－B7近鋼柱B3端應(yīng)變片SG54和SG55 變化幅度則小得多，遠(yuǎn)鋼柱B3 端應(yīng)變片SG52和SG53變化較大.這主要是由于樓板受力近似單向板，主要荷載由縱向鋼梁承擔(dān)，鋼柱B3失效后，樓板的支承條件發(fā)生變化，鋼梁1－B1，1－B2變?yōu)?根鋼梁，但跨度增大1倍，因此跨中的應(yīng)變變化幅度很大，SG42明顯由壓應(yīng)變變?yōu)槔瓚?yīng)變；鋼梁1－B7雖然外側(cè)仍有鋼梁1－B1，1－B2起著拉結(jié)作用，但由于變形增大，受力近似懸臂，因此遠(yuǎn)端應(yīng)變變化較大.

2.3 鋼柱B3上方位移

鋼柱B3失效后，其上方節(jié)點(diǎn)豎向位移時(shí)程曲線如圖9所示，負(fù)值表示位移向下.由圖中可以看出，該點(diǎn)位移在0.15s時(shí)達(dá)到最大值，也即第1個(gè)峰值4.9mm；位移在達(dá)到第1個(gè)位移峰值后經(jīng)過4個(gè)波動即迅速衰減至近穩(wěn)定值4.3mm.由此可見，框架結(jié)構(gòu)因局部柱失效后的動力反應(yīng)和地震作用下的反應(yīng)有很大不同，在沒有能量輸入、結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌的情況下，迅速恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài).

圖9 鋼柱B3上節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程Fig.9 Vertical displacement time history of the joints above Column B3

3 結(jié)論

（1）按現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，按組合梁考慮樓板的剛度，雖然鋼梁在鋼柱B3失效前在試驗(yàn)荷載作用下，按彈性分析應(yīng)力比為0.85～0.95，但鋼柱B3失效后其上方鋼梁和臨近柱并未發(fā)生繼發(fā)式破壞.

（2）按線彈性分析方法，鋼柱B3失效后上方鋼梁應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋼材的設(shè)計(jì)應(yīng)力，但試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼梁仍處在線彈性階段，最大應(yīng)力尚未達(dá)到屈服應(yīng)力.

（3）組合樓板對鋼梁有較強(qiáng)的拉結(jié)作用，雖然鋼柱B3的失效使得鋼梁X－B1，X－B2和X－B7一端失去支承，但由于鋼梁和樓板之間通過剪力釘可靠連接，樓板中配有雙層雙向鋼筋，因此樓板和鋼梁共同作用，抗彎剛度和水平拉結(jié)能力較強(qiáng)，將原由鋼柱承擔(dān)的豎向荷載傳遞給直接相連的臨近柱，鋼梁X－B1和X－B2由于樓板的水平拉結(jié)能力不能簡單地按跨度增加1倍后的組合梁進(jìn)行計(jì)算.

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