郭清娟++魯詩刊

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由突發(fā)事件造成的連續(xù)性倒塌事故越來越多，經(jīng)過很長一段時間的研究，國外學(xué)者已取得了突破性的進(jìn)展。然而為了計算模型的簡化，很多人在研究過程中往往忽略了樓板對抗連續(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，對一六層規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過研究結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力，進(jìn)一步探討樓板對結(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

中圖分類號：TU375.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，對人民生命財產(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，國外對抗連續(xù)性倒塌的研究經(jīng)歷了三個重要階段，取得了豐碩的成果。我國關(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單的設(shè)計原則和要求，因此對于抗連續(xù)性倒塌課題的研究迫在眉睫。

目前對連續(xù)性倒塌問題，國內(nèi)外規(guī)范中提出的一些可行的設(shè)計方法多集中于梁與柱方面，對樓板的研究比較少，本文通過研究樓板對抗連續(xù)性倒塌的影響，為設(shè)計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)計方法

目前抗連續(xù)性倒塌的設(shè)計方法[2，3]主要包括：

①概念設(shè)計：即通過增加結(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)計方面入手。概念設(shè)計只是概念上的一些措施，多依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗。

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：為保證備用路徑法或保證結(jié)構(gòu)的整體性，驗算構(gòu)件間的連接強(qiáng)度的方法。

④局部加強(qiáng)法：對結(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、幾何非線性及動力效應(yīng)，計算速度較快，但是精度不足。在連續(xù)性倒塌性能分析過程中，需要引入動力放大系數(shù)來考慮倒塌過程中的動力效應(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，但是不考慮動力效應(yīng)，采用逐步加載的方式，耗時比較長，計算結(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)動力需求，仍然需要引入放大系數(shù)考慮連續(xù)性倒塌過程中的動力效應(yīng)。一般用于10層以上較為規(guī)整的結(jié)構(gòu)。

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

4 荷載組合

各國抗連續(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DoD2005規(guī)范規(guī)定：

采用靜力荷載分析[4]時，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為動力放大系數(shù)。

②美國GSA2003設(shè)計指南規(guī)定：

采用靜力分析：2×（DL+0.25LL）

采用動力分析：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)計地震分組為第一分組，設(shè)防烈度為7度，抗震等級為三級，場地類別為二類。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實現(xiàn)初始破壞。并對移除柱相鄰跨及上方區(qū)域考慮動力放大系數(shù)2的荷載組合，對于其他區(qū)域不考慮動力放大系數(shù)。圖2為移除邊跨的中間柱與角柱時荷載組合需要考慮動力放大系數(shù)的范圍。

利用sap2000分析過程中，在框架梁和柱中插入集中塑性鉸來考慮非線性的影響。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)測點，通過觀測監(jiān)測點的位移來研究樓板對抗連續(xù)性倒塌的影響。

實驗結(jié)果如表3所示。

由表3中可以看出：

1）當(dāng)考慮樓板時，監(jiān)控點的豎向位移顯著減小，這個是因為樓板作為結(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)控點處的位移。不考慮樓板時，水平方向上，荷載完全由梁傳遞，當(dāng)梁無法承擔(dān)荷載發(fā)生破壞后，可以通過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，這個是因為角柱承擔(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）樓板對拆除中柱比對拆除角柱產(chǎn)生的作用更明顯，這是因為角柱部分的樓板僅在一個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方向上都提供雙向拉結(jié)作用。

6 結(jié)論

樓板可以通過鋼筋網(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提高抗連續(xù)性倒塌性能。

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

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[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)計方法[C].第十屆全國混凝土結(jié)構(gòu)基本理論及工程應(yīng)用學(xué)術(shù)會議，2008：391-396.

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