基础隔震山地掉层框架结构抗连续倒塌性能研究

山地隔震结构本身具有特殊性,因此其破坏模式、受力性能与普通平地隔震结构体系有很大的不同.为了研究基础隔震山地掉层结构的抗连续倒塌性能,首先对一榀4跨3层平面框架拟静力试验进行数值模拟并验证了LSDYNA纤维单元模型的可靠性,根据中国规范设计了6个基础隔震掉层体系框架和1个普通平地隔震结构,基于拆除构件法对剩余结构进行抗倒塌性能研究,得到其荷载系数与失效点竖向位移曲线.研究结果表明,拆除下接地角柱(支座)、上接地角柱时,平地隔震结构的抗倒塌能力大于掉层隔震结构;拆除上接地支座时,平地隔震结构的抗倒塌能力弱于掉层隔震结构;隔震山地掉层框架结构邻近坎下边支座(底层柱)失效跨的抗力机制要滞后于上接地跨的抗力机制,可为基础隔震山地掉层框架结构的抗连续性倒塌设计提供参考.     

隔震结构在地下室内爆炸荷载作用下的连续倒塌模拟

为了探究隔震结构在地下室内发生爆炸时的连续倒塌模式和机理,采用LS-DYNA软件建立一个地下1层、地上4层的钢筋混凝土框架隔震结构整体式模型;通过流固耦合方法分别模拟地下室内部不同位置处爆炸荷载作用下隔震结构的破坏及连续倒塌全过程;对比分析不同位置柱及其上隔震支座失效时隔震结构的连续倒塌程度和倒塌模式,并阐释产生不同倒塌模式的原因.结果表明:在炸药当量相同的情况下,对不同位置目标柱及柱顶隔震支座施加爆炸荷载后,结构发生连续倒塌的主要原因都是目标构件失效后相邻构件的初始损伤导致传力路径失效,其初始损伤程度是影响结构倒塌规模的关键因素;因此,在结构爆炸分析中,备用荷载路径法得到的结果偏于不安全.     

钢框架结构抗连续性倒塌性能试验研究

为了研究钢框架结构在中柱失效工况下的抗连续性倒塌性能,进行缩尺比为1∶3的单层三维钢框架结构准静态连续性倒塌试验.采用备用荷载路径法,对中柱施加竖向集中荷载直至结构体系发生钢材断裂等严重破坏,以模拟结构的倒塌过程.观测结构失效模式以及分析中柱竖向位移与所施加集中荷载的关系,研究结构体系的抗连续性倒塌性能.利用试验数据探讨2种抗连续性倒塌力学机制,即弯曲效应和悬链线效应对钢框架结构鲁棒性的贡献.试验结果表明,结构体系表现出良好的延性和较高的承载力,在中柱突然失效的情况下并没有发生连续性倒塌的风险.在加载初期,弯曲效应是结构抵抗连续性倒塌的主要力学机制;尽管随着中柱竖向位移的增大,悬链线效应对结构竖向抗力的贡献逐渐增大,并在加载后期超越弯曲效应,成为主要的抗连续性倒塌力学机制,但是弯曲效应对结构的抗倒塌能力的贡献始终显著.此外,梁柱节点形式对弯曲效应和悬链线效应的发展具有决定性作用.     

梁顶部钢筋布置对结构抗连续倒塌性能影响的试验研究

为探究梁跨中位置顶部钢筋布置方式对RC框架结构抗连续倒塌性能影响,设计并制作了两榀一层四跨的梁柱子结构失效柱模型,梁顶部钢筋分别按截断与通长两种方式布置,采用电液伺服作动器在失效柱上方施加持续增大的竖向荷载,对子结构进行拟静力抗连续倒塌试验。依据失效柱竖向位移荷载曲线及关键梁截面钢筋应变发展变化,得到梁跨中顶部钢筋布置方式影响结构抗连续倒塌性能规律。结果表明,结构依靠梁机制和悬链线机制作用来提供结构抗力,布置方式对前期的梁机制几乎不产生影响,对后期悬链线机制作用阶段影响较明显,通长布置的结构悬链线机制峰值抗力更大,且进入悬链线受拉阶段更加提前。     

考虑支座失效的基础隔震结构振动台试验研究

为研究隔震结构在多向动力耦合激励下的动力响应和荷载传递路径,进行了一个缩尺比例为1∶4的三层平面不规则RC隔震框架结构振动台试验. 通过研究结构的加速度响应、位移响应、隔震支座内力响应、损伤跨梁混凝土和钢筋应变等,揭示了多向动力耦合激励下的抗倒塌性能. 进一步利用OpenSees有限元软件,分析了损伤跨梁内力和支座损伤指数分布规律. 研究结果表明：在双向水平地震和单个隔震支座突然失效引起的竖向不平衡荷载耦合激励下,失效点位置处结构的竖向动力响应显著增大,并发生明显的竖向变形;支座瞬时失效产生的动力效应对各支座内力均有影响,特别是对相邻支座的内力影响更加明显;支座瞬时失效产生的竖向不平衡荷载由空腹效应和梁端弯矩共同抵抗;支座瞬时失效对相邻支座损伤指数影响最大;在多向动力耦合激励下失效区域的动力响应比仅考虑竖向不平衡荷载下更显著,隔震层损伤指数分布相比地震单独作用下更加离散.     

支座失效下基础隔震结构的损伤路径识别

为研究基础隔震结构的隔震支座意外失效后,剩余结构在三维地震动作用下构件的损伤指数和结构的损伤路径变化,利用三维整体结构弹塑性分析与抗震性能评估软件Perform-3D对隔震结构进行分析.通过对支座未失效和支座失效时的隔震结构的构件损伤进行损伤指标评价,比较构件损伤指标的大小以此来确定结构损伤路径的分布及变化规律.对一个6层的基础隔震结构进行分析,结果表明,角部隔震支座的失效会引起构件的损伤指标的剧烈变化,使得隔震结构支座失效位置上部构件的破坏路径成为主要的损伤路径.     

预压装配式预应力混凝土框架抗连续倒塌数值分析

文章通过对预压装配式预应力混凝土框架的拉结强度设计分析和拆除构件法设计模拟,研究了预压装配式框架在6种工况下拆除失效柱后,剩余结构的抗倒塌能力和抗连续倒塌机制。分析结果表明:预压装配式框架除顶层边柱外,其余剩余结构的稳定性较好,抗倒塌能力很强;由于预应力筋的存在,边柱破坏时,在小变形范围内,框架梁以梁机制提供抗连续倒塌能力,在大变形范围内,框架梁在此阶段不能以悬链线机制提供抗连续倒塌能力;中柱破坏时,框架梁均可通过梁机制或悬链线机制提供抗连续倒塌能力。     

单层体外预应力钢筋混凝土框架抗倒塌试验研究

通过两榀单层双跨体外预应力钢筋混凝土框架结构试验研究,分析中柱失效后结构体系的抗倒塌性能。对试验模型框架受力过程进行分析,建立基于结构变形的体外预应力筋应力变化分析方法,推导出体外预应力钢筋混凝土框架倒塌破坏的极限荷载简化计算公式。研究结果表明:中柱失效后,体外预应力钢筋混凝土框架的连续倒塌过程分为4个阶段即弹性阶段、弹塑性阶段、受压混凝土破坏阶段和悬链线作用阶段,结构主要通过压拱机制和悬链线机制进行内力重分配;悬链线机制提供的抗力由侧向约束的刚度和强度决定,当柱对梁提供的水平约束不足时,框架的倒塌抗力随竖向位移的增大而不断下降;体外预应力筋可提高框架的开裂荷载、压拱作用阶段的峰值荷载以及悬链线作用阶段的极限荷载;采用所提出的公式所得计算结果与试验结果较吻合,可用来预估体外预应力钢筋混凝土框架考虑悬链线作用的极限承载力。     

梁上部钢筋跨中布置方式对结构连续倒塌影响分析

为研究梁上部钢筋跨中布置方式对钢筋混凝土框架结构连续倒塌机制的影响,设计了2个一层四跨梁柱子结构模型,梁上部钢筋分别按跨中截断与通长进行布置,并对结构连续倒塌过程进行有限元分析。通过比较竖向荷载、梁内部轴力、梁关键截面钢筋应力随结构竖向变形所产生的变化,得到梁上部钢筋跨中布置方式对结构连续倒塌机制的影响规律。结果表明,布置方式对梁机制作用前期抗倒塌能力影响较小,对后期压拱效应及悬链线机制影响较大,通长布置结构提前进入悬链线作用阶段;按经典塑性理论计算的塑性峰值荷载较实际的偏小;通长布置结构的最终承载力比截断布置的提高了18.2%,通长布置可增强结构抗连续倒塌性能。     

结构-地震动双随机的隔震结构倒塌鲁棒性分析

为分析基于结构及地震动双随机的隔震结构竖向连续倒塌鲁棒性,依据二次四阶矩可靠度理论提出随机鲁棒性指标,通过对比分析隔震结构考虑结构随机、地震动随机性以及同时考虑结构-地震动随机性的鲁棒性指标,揭示随机性对隔震结构竖向连续倒塌鲁棒性的影响,以及PGA对隔震结构抗竖向连续倒塌鲁棒性产生的作用.研究结果表明:基于可靠度的随机鲁棒性指标可定量评估隔震结构抗竖向连续倒塌能力;若仅考虑结构随机或地震动随机,均会高估结构抗竖向连续倒塌能力;此外,随PGA增大,结构抗竖向连续倒塌鲁棒性下降,强震作用下,隔震结构极可能发生竖向连续倒塌现象.     

钢管混凝土柱-钢梁平面框架抗连续倒塌机理分析

采用有限元软件ABAQUS对中柱失效工况下的钢管混凝土平面框架进行抗连续性倒塌性能的分析.通过分析各框架抗连续性倒塌全过程工作机理,计算竖向荷载-位移曲线,观察典型节点破坏形态,以此来研究不同组合梁形式及不同轴压比对钢管混凝土平面框架抗连续性倒塌性能的影响.研究表明,钢管混凝土平面框架的倒塌过程都会经历从梁机制到悬链线机制的转变.合理的轴压比限值对钢管混凝土平面框架的抗连续性倒塌性能有积极作用,尤其是在梁机制阶段较为明显.翼板的存在可以显著提高钢管混凝土平面框架的初始刚度,并且板内钢筋在悬链线阶段发挥了重要作用.     

基于抽柱法的钢框架连续倒塌分析

为较准确地进行连续倒塌分析,对抽柱法分析框架连续倒塌时柱失效时间取值、柱失效位置等问题进行研究.采用动力非线性计算方法分别对不同跨度和高度的空间纯框架及框架支撑结构进行连续倒塌模拟分析,得到结构动力效应与柱失效时间的关系曲线和各失效点的位移时程曲线.分析结果表明:随着柱失效时间的减小,结构的动力效应趋于收敛;柱失效位置对剩余结构的影响较大,某些情况下可能会导致剩余结构产生共振.建议在对结构进行连续倒塌分析时,取剩余结构竖向振动周期的1/10,不应大于1/5.柱间支撑作为抗连续倒塌的一道防线起到的缓冲作用能很好地提高结构抗连续倒塌能力.     

基于承载力预压装配式框架结构的鲁棒性

结构鲁棒性是指建筑结构承受局部损伤和防止结构发生连续倒塌的能力。为揭示预压装配式框架结构鲁棒性优劣,利用SAP2000软件考虑节点半刚性建立预压装配式框架结构（Prestressed Concrete Structure, PC结构）及现浇结构（Reinforce Concrete Structure, RC结构）模型,基于抽柱法模拟四种工况：角柱、长边中柱、短边中柱和框架中柱失效,采用非线性静力分析方法,从承载力变化情况及抗倒塌机制等方面对比不同失效位置工况下PC结构和RC结构抗竖向连续倒塌的性能,以此研究PC结构的鲁棒性。结果表明：PC结构和RC结构倒塌模式相似：角柱、长边中柱均为梁机制,而短边中柱、框架中柱均为悬链线机制;PC结构各工况倒塌时的竖向位移均大于RC结构,延性更好;受其节点连接刚度的影响,PC结构鲁棒性系数（3.197）略小于RC结构（3.257）,因此通过增强PC结构节点连接的刚度,可改善结构构件的鲁棒性。     

基于抽柱法的盒式结构连续倒塌分析

为了研究盒式结构的抗连续倒塌能力,基于大型有限元软件ANSYS,采用抽柱法对盒式结构进行动力非线性分析。对柱失效时间的取值、柱失效位置的选取等问题进行研究,得到了剩余结构动力效应与柱失效时间的关系曲线和不同柱破坏位置下各失效柱顶点的位移时程曲线。分析结果表明:结构的动力效应随着柱失效时间的减小而减小。采用抽柱法对盒式结构进行连续倒塌分析时,建议失效时间选取剩余结构失效柱顶部楼板竖向振动周期的1/10。失效柱位置和层数对盒式结构抗连续倒塌能力影响较大。与长边中柱和角柱相比,短边中柱对结构抗连续倒塌能力影响最大。层数越多盒式结构的抗连续倒塌能力越强。     

不同板中配筋形式下板柱结构的连续倒塌性能

在爆炸、冲击等偶然荷载作用下,钢筋混凝土(RC)板柱结构中承重柱失效可能导致结构发生局部或整体连续倒塌破坏.为了研究板中配筋形式对RC板柱结构抗连续倒塌性能的影响,制作了2个1/3比例的板柱子结构模型,通过单调静力加载试验研究了角柱缺失条件下结构的连续倒塌性能.试验研究表明:在混凝土板内配置连续上层钢筋可以有效减小板上裂缝的宽度;与板中采用非连续上层配筋的试件相比,采用连续配筋试件的屈服荷载、第一个峰值荷载和极限承载力分别提高了38.4%、31.8%和7.5%,在动力荷载作用下试件的抗倒塌能力也得到了明显提高;板中拉膜效应对于塑性铰线机制失效后结构的抗倒塌承载力贡献显著.     

钢筋混凝土梁柱子结构抗倒塌承载能力研究

国外现有抗倒塌设计规范通过限制悬索体系的最大变形来防止连续倒塌的发生,往往导致不安全。就钢筋混凝土梁柱子结构倒塌变形过程进行分析,总结了悬链线破坏模式。通过对子结构抗倒塌承载能力的研究,提出了以钢筋达到极限强度为子结构倒塌极限状态,进而提出了基于悬链线抗拉承载能力的子结构抗倒塌设计方法,并对钢筋的抗倒塌设计强度进行了初步的讨论。     

下栓接贯通隔板-上焊接外环板节点抗连续倒塌性能数值模拟分析

通过对不同连接方式的梁柱节点构造进行分析，发现采用新型节点形式（下栓接贯通隔板-上焊接外环板）更有利于发挥悬链线机制，提高构件抗连续倒塌能力。运用ABAQUS软件，对该节点形式下的不同跨高比、不同跨度比以及局部削弱截面下的失效模式、承载力-位移曲线、抗力机制进行分析，为提升梁柱节点抗连续倒塌能力提供了新的节点形式，为抗连续倒塌性能的设计奠定了基础。     

导管架海洋平台失效路径分析及连续倒塌机制

针对突发事件下导管架平台"局部破坏"可能引发的连续倒塌现象,建立一种针对导管架平台结构的失效路径搜索及概率评估流程,采用逐步施加增量载荷的方法,并结合广义承力比准则,充分考虑失效过程中单元内应力的变化及候选失效单元的不确定性和外部载荷的随机性,并通过模拟示例获得平台可能发生的事故树,从而确定最可能发生的失效顺序。针对具体失效路径,引入备用荷载路径方法(ALP方法),研究倒塌过程中平台结构的力学分布特性和状态变化规律,分析构件失效后的平台剩余系统的动力效应和内力重分布规律,从而揭示平台结构的连续倒塌机制。结果表明:某桩腿单元突发失效后,失效单元上方的水平撑杆通过塑性铰机制成为新的竖向传力路径;相邻桩腿由于严重的内力重分布现象成为薄弱环节,易发生屈曲失效。     

水平加强层对钢框架结构抗连续倒塌性能的影响

为研究水平加强层对钢框架结构抗连续倒塌性能的影响,利用ANSYS有限元软件,以一幢10层钢框架结构为原型,根据支撑的设置方式建立了4种有限元模型,采用备用荷载路径法,将不同底层柱突然失效分为8种工况,对每种工况下的4种模型进行了动力非线性分析。分析结果表明：底层柱失效后,水平加强层可以有效提高结构的整体拉接力,从而显著减小破坏部位的竖向位移,并将荷载传递至失效柱的临近柱,避免结构构件发生屈服造成结构刚度的下降。在底层柱上方增设水平加强层可以以较低的造价增强结构的整体性,增强钢框架结构发生局部破坏后的内力重分布能力,提高抗连续倒塌能力。     

串联隔震结构的抗连续倒塌性能

以某工程串联隔震结构为工程背景,对串联隔震结构进行抗连续倒塌性能研究.采用非线性有限元软件MSC.Marc建立该串联隔震结构精细化有限元模型,运用非线性动力拆除构件法研究该结构,并根据DOD2013所提出结构连续倒塌的失效准则进行评价.研究结果表明:串联隔震结构角柱区域为整个结构抗连续倒塌性能最薄弱环节,隔震层角柱和角柱隔震垫需进行加强和保护;随着楼层的增高,串联隔震结构抗连续倒塌性能逐渐变差.