郭清娟++魯詩(shī)刊

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由突發(fā)事件造成的連續(xù)性倒塌事故越來(lái)越多，經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間的研究，國(guó)外學(xué)者已取得了突破性的進(jìn)展。然而為了計(jì)算模型的簡(jiǎn)化，很多人在研究過(guò)程中往往忽略了樓板對(duì)抗連續(xù)性倒塌的影響。本文利用非線性靜力分析法，基于拆除構(gòu)件法，對(duì)一六層規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過(guò)研究結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力，進(jìn)一步探討樓板對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的有利影響。

Abstract： With the development of economy， more and more progressive collapse accidents are caused by sudden accidents. After a long period of time， foreign scholars have made breakthrough progress. However， in order to simplify the calculation model， many people often neglect the effect of the floor slab on the progressive collapse. In this paper， the nonlinear static analysis method is used to analyze the frame structure of 16 layers based on the method of removing the component. By studying the displacement and internal force of the structure， this paper further discusses the beneficial effect of the floor slab on the progressive collapse resistance of the structure.

關(guān)鍵詞：樓板；連續(xù)性倒塌；非線性靜力分析

Key words： floor slab；progressive collapse；nolinear static analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：TU375.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）12-0095-03

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，由煤氣爆炸、飛機(jī)撞擊、火災(zāi)等意外事故造成的連續(xù)性倒塌事件不斷增多，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的損失已經(jīng)不容忽略。從1968年倫敦Ronan Point公寓樓倒塌事件，到1995年美國(guó)俄亥俄州Alfred P. Murrah聯(lián)邦大廈倒塌事件，再到2001年紐約世貿(mào)中心大樓倒塌事件，國(guó)外對(duì)抗連續(xù)性倒塌的研究經(jīng)歷了三個(gè)重要階段，取得了豐碩的成果。我國(guó)關(guān)于連續(xù)性倒塌的研究成果比較有限，規(guī)范中雖有涉及，但是也僅僅提出一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)原則和要求，因此對(duì)于抗連續(xù)性倒塌課題的研究迫在眉睫。

目前對(duì)連續(xù)性倒塌問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外規(guī)范中提出的一些可行的設(shè)計(jì)方法多集中于梁與柱方面，對(duì)樓板的研究比較少，本文通過(guò)研究樓板對(duì)抗連續(xù)性倒塌的影響，為設(shè)計(jì)和研究提供一些參考。

1 連續(xù)性倒塌的定義

連續(xù)性倒塌[1]是指建筑物因意外荷載、突發(fā)事件或局部超載等所造成的局部構(gòu)件破壞，致使相鄰構(gòu)件失效，并引起結(jié)構(gòu)發(fā)生連鎖反應(yīng)，使構(gòu)件的破壞向結(jié)構(gòu)的其他部位不斷擴(kuò)散，并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)大范圍坍塌的現(xiàn)象。

2 抗連續(xù)性倒塌的設(shè)計(jì)方法

目前抗連續(xù)性倒塌的設(shè)計(jì)方法[2，3]主要包括：

①概念設(shè)計(jì)：即通過(guò)增加結(jié)構(gòu)的整體性，加強(qiáng)關(guān)鍵構(gòu)件，改造構(gòu)件措施等概念設(shè)計(jì)方面入手。概念設(shè)計(jì)只是概念上的一些措施，多依賴(lài)于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。

②拆除構(gòu)件法：拆除構(gòu)件法主要是按一定規(guī)則拆除豎向受力構(gòu)件，然后利用有限元軟件來(lái)判定剩余構(gòu)件的跨越區(qū)間的能力。拆除構(gòu)件法主要依賴(lài)于結(jié)構(gòu)的冗余度，冗余度越充分，則結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌的能力越強(qiáng)。

③拉結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)：為保證備用路徑法或保證結(jié)構(gòu)的整體性，驗(yàn)算構(gòu)件間的連接強(qiáng)度的方法。

④局部加強(qiáng)法：對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵單根構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，減少偶然荷載產(chǎn)生的損傷的方法。

3 抗連續(xù)性倒塌的分析方法

抗連續(xù)性倒塌的分析方法，按照復(fù)雜及精確程度，可以分為：線性靜力分析，非線性靜力分析以及非線性動(dòng)力分析。其中：

線性靜力分析不考慮材料非線性、幾何非線性及動(dòng)力效應(yīng)，計(jì)算速度較快，但是精度不足。在連續(xù)性倒塌性能分析過(guò)程中，需要引入動(dòng)力放大系數(shù)來(lái)考慮倒塌過(guò)程中的動(dòng)力效應(yīng)。線性靜力分析結(jié)果偏于保守，一般用于分析10層及以下的建筑。

非線性靜力分析考慮材料非線性、幾何非線性，但是不考慮動(dòng)力效應(yīng)，采用逐步加載的方式，耗時(shí)比較長(zhǎng)，計(jì)算結(jié)果較線性靜力分析更精確。非線性靜力分析因不能滿足結(jié)構(gòu)動(dòng)力需求，仍然需要引入放大系數(shù)考慮連續(xù)性倒塌過(guò)程中的動(dòng)力效應(yīng)。一般用于10層以上較為規(guī)整的結(jié)構(gòu)。

非線性動(dòng)力分析：連續(xù)性倒塌的危害主要在于意外荷載短時(shí)間內(nèi)造成的沖擊作用，非線性動(dòng)力分析考慮材料、幾何非線性以及荷載與時(shí)間關(guān)系，計(jì)算結(jié)果最為精確。

4 荷載組合

各國(guó)抗連續(xù)性倒塌的規(guī)范所采用的荷載組合方式不同，主要包括：

①美國(guó)DoD2005規(guī)范規(guī)定：

采用靜力荷載分析[4]時(shí)，在移除構(gòu)件所在跨及其上方區(qū)域所采用的荷載組合為：

2×[（0.9or1.2）D+（0.5Lor0.2S）]+0.2W

其余部分施加的荷載為：

[（0.9or1.2）D+（0.5Lor0.2S）]+0.2W

式中D—恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值；L—活荷載標(biāo)準(zhǔn)值；S—雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值；W—風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；2為動(dòng)力放大系數(shù)。

②美國(guó)GSA2003設(shè)計(jì)指南規(guī)定：

采用靜力分析：2×（DL+0.25LL）

采用動(dòng)力分析：DL+0.25LL

式中DL—恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值；LL—活荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

本文基于拆除構(gòu)件法，利用非線性靜力分析法對(duì)一六層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)性倒塌性能分析。

5 算例分析

①總信息。

如圖1所示為一6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，x方向與y方向的跨度均為6000mm，樓層高度為3600mm，設(shè)計(jì)地震分組為第一分組，設(shè)防烈度為7度，抗震等級(jí)為三級(jí)，場(chǎng)地類(lèi)別為二類(lèi)。樓面恒荷載為5.0kN/m2，樓面活荷載為2kN/m2，屋面恒荷載為5.0kN/m2，屋面活荷載為2.0kN/m2，沿各梁軸線均勻布置厚度為200mm，容重為10kN/m3的空心砌塊。采用150mm厚的現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。

利用PKPM得到的截面尺寸及配筋狀況如表1和表2。

②分析方法。

本文利用sap2000軟件，基于GSA2003設(shè)計(jì)指南，采用非線性靜力分析方法分別移除邊跨的中間柱和角柱來(lái)實(shí)現(xiàn)初始破壞。并對(duì)移除柱相鄰跨及上方區(qū)域考慮動(dòng)力放大系數(shù)2的荷載組合，對(duì)于其他區(qū)域不考慮動(dòng)力放大系數(shù)。圖2為移除邊跨的中間柱與角柱時(shí)荷載組合需要考慮動(dòng)力放大系數(shù)的范圍。

利用sap2000分析過(guò)程中，在框架梁和柱中插入集中塑性鉸來(lái)考慮非線性的影響。其中框架梁兩端和中間指定采用M3鉸，在框架柱的兩端指定P-M2-M3鉸。將移除柱頂端設(shè)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移來(lái)研究樓板對(duì)抗連續(xù)性倒塌的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3中可以看出：

1）當(dāng)考慮樓板時(shí)，監(jiān)控點(diǎn)的豎向位移顯著減小，這個(gè)是因?yàn)闃前遄鳛榻Y(jié)構(gòu)重要的水平構(gòu)件，當(dāng)拆除某根柱子后，樓板中的鋼筋網(wǎng)可以產(chǎn)生雙向拉結(jié)作用，形成拉膜效應(yīng)，提供向上的拉力，并且可以提高結(jié)構(gòu)的整體性，有效地將荷載分散到結(jié)構(gòu)的其他部位，從而減小監(jiān)控點(diǎn)處的位移。不考慮樓板時(shí)，水平方向上，荷載完全由梁傳遞，當(dāng)梁無(wú)法承擔(dān)荷載發(fā)生破壞后，可以通過(guò)剩余鋼筋的拉鏈作用將該部分荷載傳遞到相鄰的梁和柱上，但是此作用要小于樓板的作用。

2）拆除角柱所產(chǎn)生的豎向位移要小于拆除中柱所產(chǎn)生的豎向位移，這個(gè)是因?yàn)榻侵袚?dān)該樓板1/4的荷載，而邊跨的中柱承擔(dān)該樓板1/2的荷載，因此意外荷載發(fā)生在中柱所引起的連續(xù)性倒塌后果比發(fā)生在角柱所引起的后果更嚴(yán)重。

3）樓板對(duì)拆除中柱比對(duì)拆除角柱產(chǎn)生的作用更明顯，這是因?yàn)榻侵糠值臉前鍍H在一個(gè)方向上提供雙向拉結(jié)作用，而中間柱部分的樓板可以在兩個(gè)方向上都提供雙向拉結(jié)作用。

6 結(jié)論

樓板可以通過(guò)鋼筋網(wǎng)的雙向拉結(jié)作用顯著提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌性能。結(jié)構(gòu)中可以通過(guò)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板以及適當(dāng)提高樓板鋼筋的配筋率來(lái)提高抗連續(xù)性倒塌性能。

樓板對(duì)拆除中柱時(shí)抗連續(xù)性倒塌性能的提高要強(qiáng)于拆除角柱時(shí)抗連續(xù)性倒塌性能的提高。

中柱破壞所引起的結(jié)構(gòu)豎向位移要大于角柱破壞所引起的豎向位移，因此就抗連續(xù)性倒塌性能而言，需要適當(dāng)加強(qiáng)中柱，減少意外荷載所引起的損傷。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘭林.鋼筋混凝土框架愛(ài)基于拆除構(gòu)件法的抗連續(xù)性倒塌性能分析[D].廣西大學(xué)，2013.

[2]陸新征，李易，葉列平，等.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法的研究[J].工程力學(xué)，2008，25（S2）：150-157.

[3]李易，陸新征，葉列平，等.結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的拉結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法[C].第十屆全國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)基本理論及工程應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議，2008：391-396.

[4]左文武.樓板的對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌性能的影響[D].蘭州理工大學(xué)，2014.