鋼框架—組合樓板體系抗連續(xù)倒塌性能研究★

馮 又 全

(上海風(fēng)暢土木工程技術(shù)有限公司，上海 200433)

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鋼框架—組合樓板體系抗連續(xù)倒塌性能研究★

馮 又 全

(上海風(fēng)暢土木工程技術(shù)有限公司，上海 200433)

通過將一足尺兩層2×2空間鋼框架結(jié)構(gòu)底層邊跨中柱突然拉倒進(jìn)行抗連續(xù)倒塌試驗(yàn)研究,采用了實(shí)體單元和殼單元相結(jié)合的建模方式，對(duì)試驗(yàn)框架進(jìn)行了非線性動(dòng)力有限元分析，試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果表明：關(guān)鍵柱失效后，組合樓板可提供可靠拉結(jié)并形成新的荷載傳遞路徑。

鋼框架，組合樓板，有限元模型，倒塌性能

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]。自2001年美國(guó)世貿(mào)中心遭到重創(chuàng)并發(fā)生整體倒塌之后，研究人員在鋼框架結(jié)構(gòu)體系的抗連續(xù)倒塌能力方面做了大量工作。Kwasniewski[2]對(duì)一8層鋼框架根據(jù)GSA指導(dǎo)準(zhǔn)則，考慮節(jié)點(diǎn)和組合樓板影響進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析。Yu等[3]采用有限元方法模擬了帶組合樓板的單層鋼框架的連續(xù)倒塌，討論了節(jié)點(diǎn)和混凝土板對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的影響。由此可見，近幾年來相關(guān)學(xué)者已開始關(guān)注組合樓板對(duì)結(jié)構(gòu)體系抗連續(xù)倒塌能力的影響，但是尚未形成行之有效的模擬方法。本文以一足尺兩層兩跨空間鋼框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，建立考慮梁柱節(jié)點(diǎn)的有限元模型，分析在豎向荷載下單根中間柱突然失效后框架的受力性能，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)框架

試驗(yàn)框架為兩層兩跨鋼框架(見圖1)，鋼框架構(gòu)件截面及材料如表1所示。框架梁與框架柱栓焊剛性連接，框架梁翼緣與短梁翼緣對(duì)接焊，腹板采用8.8級(jí)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)，上方鋪設(shè)C40混凝土板，凈厚80 mm。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。鋼梁截面見表1，表中X取為1,2，指代樓層。

表1 構(gòu)件尺寸及材料參數(shù)

構(gòu)件名截面規(guī)格強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPaX-B3,X-B4H200×125×6×8Q420B380420X-B1,X-B2X-B5,X-B6HW150×75×5×7Q235B215235框架柱HW150×150×7×10Q235B215235

1.2 荷載信息

一層樓面永久荷載按5.0 kN/m2考慮，活載按2.5 kN/m2考慮；二層樓面永久荷載按6.0 kN/m2考慮，活載按0.5 kN/m2考慮，部分樓面考慮0.5 kN/m2的吊重。試驗(yàn)框架設(shè)計(jì)滿足GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[4]要求，框架梁剛度考慮組合樓蓋的作用，按JGJ 99—98高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[5]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。荷載分布圖見圖2，加載參數(shù)見表2。

表2 加載參數(shù)

均布荷載/kN·m-2線荷載/kN·m-1q11q12q21q22q2322.918.311.38.36.9

1.3 失效柱模擬

UFC(2009)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[6]采用備用荷載路徑方法對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析時(shí)，通過假定“去除”某一豎向承重構(gòu)件后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力或靜力非線性分析以考察結(jié)構(gòu)體系的抗連續(xù)倒塌能力。試驗(yàn)中通過將鋼柱1-B3(位于軸和③軸交點(diǎn)，下同)拉出模擬失效考察結(jié)構(gòu)體系的反應(yīng)，評(píng)估其抗連續(xù)倒塌性能。由于組合樓板具有單向?qū)Ш傻奶攸c(diǎn)，鋼柱1-B3為邊跨中柱，主要承受軸向壓力。樓面堆載至設(shè)計(jì)荷載后，用卷?yè)P(yáng)機(jī)在鋼柱1-B3上端突然施加水平力，將其突然拉倒以模擬突然失效(見圖3)。

2 有限元模型

2.1 模型建立

采用有限元軟件ANSYS12.0[7]建立試驗(yàn)框架的數(shù)值模型(見圖4a))，其中鋼梁和鋼柱采用殼單元Shell181模擬。梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)根據(jù)試驗(yàn)框架的實(shí)際構(gòu)造建模，考慮加勁板的影響(見圖4b))。組合樓板采用分層建模的方式實(shí)現(xiàn)：混凝土采用Solid65單元模擬，底層壓型鋼板采用Shell181單元模擬；板內(nèi)的鋼筋根據(jù)面積等效的原則折算為單向受力的薄鋼板，采用Shell181單元嵌入混凝土內(nèi)；鋼梁和組合樓板之間的連接通過Mpc184單元模擬。

材料本構(gòu)模型如下：鋼材取理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用等向強(qiáng)化Von-Mises屈服準(zhǔn)則，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為ν=0.3，密度ρ=7.8×103kg/m3。混凝土本構(gòu)關(guān)系根據(jù)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[8]選用，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取19.1 MPa，泊松比為ν=0.2，密度ρ=2.5×103kg/m3，等效薄鋼板本構(gòu)關(guān)系同Q235鋼材。

2.2 抽柱模擬

根據(jù)UFC(2009)規(guī)定：進(jìn)行動(dòng)力非線性分析時(shí)“去除”構(gòu)件的時(shí)間t1不得大于剩余結(jié)構(gòu)在“去除”構(gòu)件處局部豎向振動(dòng)模態(tài)周期T的1/10。鋼柱1-B3失效后，結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)的自振周期為0.13 s，本文有限元模擬分析中柱子“瞬時(shí)”失效通過0.01 s的卸載時(shí)長(zhǎng)模擬。文中按照以下三個(gè)步驟來模擬破壞柱的“突然”失效：對(duì)完整框架模型進(jìn)行靜力線性分析，確定擬失效柱上端的內(nèi)力(M,V,N)；從完整框架模型中刪除破壞柱，將原由破壞柱承擔(dān)的內(nèi)力反作用于失效柱頂部節(jié)點(diǎn)處，即施加-N,-M和-V模擬破壞柱的支承作用(見圖5a))；在t=0.1 s時(shí)，使失效柱頂部節(jié)點(diǎn)施加的荷載在t1內(nèi)減小至0來模擬柱突然失效(見圖5b))。

3 試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果

3.1 鋼柱軸力

圖6為鋼柱1-B3失效前和失效后振動(dòng)衰減至穩(wěn)定時(shí)臨近柱的軸力值。由圖6可以看出，臨近柱軸力的試驗(yàn)值和計(jì)算值吻合良好，二者相差在5%以內(nèi)；鋼柱1-B3失效前軸力為68 kN，鋼柱1-B3失效后，各相鄰柱軸力均有較明顯變化，鋼柱1-B2軸力增加68 kN，1-A3軸力增加17 kN，1-C3軸力增加17 kN；相離較遠(yuǎn)的鋼柱1-A2和1-C2軸力則變化相對(duì)較小。這主要是因?yàn)殇撝?-B3破壞后，豎向荷載傳遞路徑發(fā)生變化，原由鋼柱1-B3承擔(dān)的樓面荷載直接通過與其相連的梁向相鄰柱轉(zhuǎn)移。

3.2 鋼梁翼緣應(yīng)變

鋼柱1-B3失效后，上方鋼梁上下翼緣的應(yīng)變分布如圖7所示。由于試驗(yàn)框架和外加荷載相對(duì)軸對(duì)稱，此處僅列出鋼梁1-B1和2-B1上應(yīng)變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從圖7可以看出，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果趨勢(shì)基本一致，有個(gè)別測(cè)點(diǎn)相差較大，這可能是由于試驗(yàn)過程中個(gè)別測(cè)點(diǎn)因干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)飄移。鋼梁1-B1和2-B1在鋼柱1-B3失效前后梁上應(yīng)變發(fā)生明顯變化，越靠近1-B3柱，應(yīng)變變化幅度越大。這主要是由于鋼柱1-B3失效后，鋼梁1-B1和1-B2跨度倍增，變成一根梁，實(shí)際跨度由4 m突變?yōu)? m，在靠近軸附近負(fù)彎矩增加，而在軸附近則由正彎矩變成負(fù)彎矩。鋼柱2-B3因下方鋼柱1-B3的失效，使得原有的豎向支承功能變?yōu)榭臻g結(jié)構(gòu)體系中的拉結(jié)構(gòu)件，鋼梁2-B1同樣在軸失去豎向支承，因此其受力狀態(tài)變化趨勢(shì)與鋼梁1-B1類似。

3.3 二層邊跨梁抗彎剛度影響

在各框架柱截面相同的情況下，中柱發(fā)生繼發(fā)破壞的可能性較大。從設(shè)計(jì)概念上來看，增強(qiáng)失效柱周邊結(jié)構(gòu)的整體拉結(jié)能力可使得內(nèi)力重分配更趨于均勻，在本試驗(yàn)框架中，可通過適當(dāng)增加頂層梁的剛度提高上部結(jié)構(gòu)的整體拉結(jié)能力。抗彎剛度比定義為鋼梁2-B1與鋼梁1-B1繞強(qiáng)軸的抗彎剛度比值，圖8給出了鋼柱1-B3失效后，各相鄰柱的軸力穩(wěn)定值和峰值隨抗彎剛度比的變化趨勢(shì)。從圖8可以看出，增大鋼梁2-B1抗彎剛度可有效減小鋼柱1-B2的軸力峰值和軸力穩(wěn)定值，增加鋼梁2-B1剛度至原剛度8倍時(shí)(此時(shí)梁高增加約1倍)，峰值和穩(wěn)定值分別降低約9%和13%。這主要是因?yàn)樵龃箐摿?-B1的抗彎剛度可使得通過縱向鋼梁1-B7向中柱1-B2分配的內(nèi)力減小，轉(zhuǎn)而由鋼梁2-B1向鋼柱1-C3和1-A3傳遞，從而使得內(nèi)力重分配后各柱軸力更均勻。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)二層兩跨足尺鋼框架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，研究了單根柱失效后剩余結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能，主要結(jié)論如下：

1)由于組合樓板的加強(qiáng)作用，鋼框架結(jié)構(gòu)具有較高的冗余度，在某根柱子突然破壞后，結(jié)構(gòu)可以形成新的荷載傳遞路徑，從而避免發(fā)生連續(xù)倒塌；

2)采用殼單元和實(shí)體單元相結(jié)合的數(shù)值模型可以較好的模擬試驗(yàn)框架在鋼柱失效前后的內(nèi)力重分布，所得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)有較高精度，可以將該數(shù)值模擬方法推廣至實(shí)際結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌分析；

3)增加頂層梁的抗彎剛度可以有效提高框架結(jié)構(gòu)的整體拉結(jié)力，使剩余結(jié)構(gòu)在內(nèi)力重分布后的各柱內(nèi)力值更趨于均勻，減小中柱繼發(fā)破壞的可能性。

[1] A. Astaneh-Asl, E. Madsen, D. McCallen, etc.. Study of cantenary mechanism of cables and floor to prevent progressive collapse of buildings subjected to blast loads[R]. Rep. to Sponsor: General Services Administration, University of California, Berkeley, Calif,2001.

[2] L. Kwasniewski. Nonlinear dynamic simulations of progressive collapse for a multistory biulding[J]. Engineering Structures,2010,32(5):1223-1235.

[3] M. Yu, X.X. Zha, J.Q. Ye. The influence of joints and composite floor slabs on effective tying of steel structures in preventing progressive collapse[J]. Journal of Constructional Steel Research,2010,66(3):442-451.

[4] GB 50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] JGJ 99—98,高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[6] Department of Denfense (DOD). Design of buildings to resist progressive collapse, Unified Facilities Criteria(UFC4-023-03), Washington, D.C.,2009.(approved for republic release).

[7] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[8] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Research on progressive collapse resistance of steel moment-frame with composite slabs★

Feng Youquan

(ShanghaiFengchangCivilEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200433,China)

The progressive collapse resistance experiment of a two-storey steel frame was carried out by removing a peripheral column. The finite element model using solid and shell elements was developed to simulate the nonlinear dynamic process. The experimental and numerical results show that the composite slab can provide the horizontal tie force and develop the new load transfer path.

steel frame, composite slab, finite element model, collapse ferformance

1009-6825(2017)15-0024-04

2017-03-17★:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378381)

馮又全(1973- )，男，博士

TU311.41

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