多層鋼框架抗連續性倒塌分析

蒲文國

海南大學土木建筑工程學院（570228）

0 引言

建筑結構連續性倒塌是指結構在正常使用條件下由于偶然事件引起局部破壞并沿構件傳遞，最終導致整個建筑物倒塌或者造成與初始破壞不成比例的倒塌[1]。引起結構連續性倒塌的原因主要有施工錯誤、煤氣爆炸、機動車輛撞擊、火災等。連續性倒塌一旦發生，一般造成慘重的人員傷亡和財產損失。近年來由于各種意外事件造成的建筑結構連續性倒塌事故，使得該問題日益受到公眾的關注和研究者的重視[2]。

自1968年英國Ronan Point公寓倒塌事件以來，國外已經對連續倒塌問題進行了四十多年的研究，并編制了相關設計規范：如美國公共事務管理局編制的《聯邦辦公樓和大型現代建筑連續性倒塌分析和設計指南》（GSA2003）[3]、美國國防部編制的《建筑抗連續倒塌設計》（DoD2005）[4]等都較為詳細地闡述了結構抗連續倒塌的設計方法及流程。而我國規范目前尚未規定詳細抗連續倒塌設計方法，僅對抗連續倒塌作了簡單的說明，沒有提出設計的具體方法和準則，缺乏可操作性。

因此,本文參考美國公共事務管理局編制的《聯邦辦公樓和大型現代建筑連續性倒塌分析和設計指南》提供的設計方法和流程，基于ABAQUS有限元軟件，采用拆除構件法，對某鋼框架結構進行連續倒塌計算分析，分析其抗連續倒塌能力。

1 鋼框架有限元模型

以一榀三層四跨平面鋼框架為研究對象，其結構形式如圖1所示，跨度為6.0 m，層高為3.6 m。

所有梁柱均為焊接H型截面，梁采用300 mm×250 mm×8 mm×12 mm，柱采用 300 mm×300 mm×10 mm×15 mm。 鋼材彈性模量為 2.06×105 MPa，密度為7 850 kg/m3，屈服強度為388 MPa。梁上均作用恒荷載為20 kN/m，活荷載為8 kN/m。恒荷載分項系數為1.2，活荷載分項系數為1.4。鋼柱、鋼梁選用的單元為B22梁單元。有限元模型見圖2。

2 初始結構拆除構件分析

將圖2所示的框架有限元模型作為初始結構，對該結構模型依次拆除規定的構件，并進行線性靜力分析。拆除流程拆除流程遵循GSA2003中對柱拆除位置的規定。

圖1

圖2

2.1 柱的拆除位置

柱拆除位置考慮了如下三種情況。

工況一：底層一根角柱失效，如圖3（a）所示；工況二：底層一根內柱失效，如圖 3（b）所示；工況三：底層一根中柱失效，如圖3（c）所示。

圖3 柱拆除位置

2.2 荷載計算和破壞準則

GSA2003[3]和DOD2009[4]中規定，線性靜力分析時，作用在結構上的豎向荷載為：在移去承重柱上部相鄰開間施加2(1.0D+0.25L)的等效靜力荷載，在其它部位施加(1.0D+0.25L)的荷載(其中D為恒載，L為活載)。

計算結果判斷構件是否發生破壞時，由需求能力比DCR值作為判別指標，DCR的定義為：

QUD為拆除構件法分析得出的構件或節點的內力(彎矩、軸力或剪力)；

QCE為構件或節點的極限承載力(彎矩、軸力或剪力)。

DCR的允許值為2.0,若超過此值,則認為破壞。

2.3 計算結果與分析

分析得初始結構梁的極限彎矩見表1。

表1 初始結構梁的極限承載力

分析得到的工況一下平面鋼框架結構截面彎矩云圖見圖4，位移云圖見圖5。

圖4 工況一平面鋼框架截面彎矩云圖（單位：N·m）

圖5 工況一平面鋼框架豎向位移云圖（單位：m）（位移增大倍數：20）

表2 工況一結構DCR值計算結果

分析得到的工況二下平面鋼框架結構截面彎矩云圖見圖6，位移云圖見圖7。

分析得到的工況三下平面鋼框架結構截面彎矩云圖見圖8，位移云圖見圖9。

圖6 工況二平面鋼框架截面彎矩云圖（單位：N·m）

圖7 工況二平面鋼框架豎向位移云圖（單位：m）（位移增大倍數：20）

表3 工況二結構DCR值計算結果

圖8 工況三平面鋼框架截面彎矩云圖（單位：N·m）

圖9 工況三平面鋼框架豎向位移云圖（單位：m）（位移增大倍數：20）

由圖4，圖6，圖8可以看出各工況下結構梁的最大彎矩發生在失效柱直接支承的梁的兩端，并且隨著層數的增高，彎矩逐漸減小。

由圖5，圖7，圖9可以得到各工況下結構最大豎向位移分別為0.146 m，0.104 m，0.101 m，結構最大豎向位移發生在結構失效柱支撐的節點處，并且隨著層數的提高，所在層的豎向位移越來越小。

表4 工況三結構DCR值計算結果

工況一下平面鋼架結構DCR值計算結果如表2所示,可以得到，失效柱直接支承的梁兩端的DCR分別為0.88，1.13，大于其他梁的DCR，但均小于2。工況二下平面鋼架結構DCR值計算結果如表3所示，可以得到，失效柱直接支承的左梁兩端的DCR分別為1.85，0.84,右梁兩端的DCR分別為0.84,0.96，大于其他梁的DCR，但均小于2。工況三下平面鋼框架結構DCR值計算結果如表4所示，可以得到,失效柱直接支承的梁兩端的DCR分別為0.95，0.86，均大于其他梁的DCR，但均小于2。各個工況的DCR值說明了：1）各工況下框架結構滿足抗連續倒塌方面的要求。2）發生破壞的位置主要在梁與柱節點處的梁的遠端位置上，且該柱的失效對直接支撐梁的影響要大于其他梁。

3 結論

本為按照GSA2003所提供的分析流程，對一榀三層四跨平面鋼框架結構進行了拆除構件分析。可以得出以下結論：

1）從各工況DCR計算結果可知，本模型在抗連續倒塌方面滿足相應的要求。柱失效后，最大彎矩發生在失效柱直接支承的梁的兩端，并且隨著層數得增高，彎矩逐漸減小。結構最大豎向發生在結構失效柱支撐的節點處,并且隨著層數的提高，所在層的豎向位移越來越小。

2）柱失效后，相鄰的兩根梁合為一根梁，梁端彎矩增大。發生破壞的位置主要在梁與柱節點處的梁的遠端位置上，且該柱的失效對直接支撐梁的影響要大于其他梁。

[1]ELLINGWOOD B R.Mitigating risk from abnormal loads and progressive collapse[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2006,20(4)：315～323.

[2]胡曉斌,錢稼茹.結構連續倒塌分析與設計方法綜述[J].建筑結構,2006,36(增刊)：5～79,5～83.

[3]GSA2003.Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Project[S].U.S.General Services Administration，June 2003.

[4]UFC 4-023-03.Design of Structures to Resist Progressive Collapse[S].Unified facilities criteria,14 July 2009.