考虑墙板系统影响的钢结构模块化建筑抗倒塌性能

钢结构模块化建筑是一种新兴的建筑结构体系,由多个标准的模块化单元组成,具有施工速度快、质量可控等优点。然而,目前对于模块化钢结构的研究还不够深入,特别是有关其抗倒塌性能的研究较少。通过有限元分析软件ABAQUS研究了钢结构模块化建筑在单个角模块、2个边模块和4个内模块失效时的抗倒塌性能,包括最终变形模式、荷载-位移曲线和节点内力变化等。同时,研究了墙板厚度对结构抗倒塌承载力及倒塌过程中内力重分布的影响。结果表明:3种模块失效工况下,墙板系统对结构抗倒塌承载力的贡献率均在45%~70%之间;当墙板厚度超过某个临界值后,再增加其厚度对抗倒塌贡献率的影响很小。同时,墙板厚度的增加限制了模块间连接节点拉力的发挥,甚至会导致节点内出现压力。

基于结构拓扑的不规则钢桁架体育馆抗倒塌分析

钢桁架结构的抗倒塌分析方法应与结构拓扑相匹配。为此,选取一不规则(柱网布置与上部桁架分布不规则)钢桁架体育馆进行非线性动力分析。基于柱内轴向荷载的水平与上部悬挑桁架的分布选取了关键构件,并给出了确定分析模型等效荷载时程曲线的方法。通过ABAQUS/Explicit模块模拟关键构件失效后结构的瞬态反应,并根据强度准则与变形准则判定结构是否发生连续性倒塌。分析结果表明,由于Ⓔ轴柱后有面积较大的一部分悬挑结构,Ⓔ轴柱失效产生的动力效应高于其他区域;E1柱与E3柱的失效会导致结构的变形或杆件应力比超过限值,建议在2层柱间增设支撑或者对Ⓔ轴柱外的悬挑结构布置额外竖向支撑,以此增加结构整体的抗倒塌韧性。

局部火灾下多层钢框架结构抗火抗倒塌性能研究

钢结构耐火性能较差,在火灾下其力学响应及抗倒塌行为更为复杂。为了研究局部火灾下多层钢框架的抗倒塌性能,基于有限元分析程序Abaqus建立火灾下钢框架结构的温度场模型和结构倒塌分析的有限元分析模型,对比研究考虑火灾以及不考虑火灾影响的结构抗倒塌失效模式,对不同失效柱下结构的倒塌抗力规律进行分析,并对火灾下结构的侧向变形进行研究。研究结果表明:不同火灾场景对结构失效模式影响较大;中柱失效下,结构的抗倒塌能力优于角柱失效、边柱失效等情况。

梁–H型柱弱轴刚性拼接的子结构抗倒塌性能试验研究

梁柱连接节点是框架结构的重要组成部分,明确节点的受力性能是准确进行结构抗连续倒塌分析的前提。本文基于替代荷载路径法并考虑楼板的组合效应,以两跨三柱型组合梁–柱子结构为研究对象,设计制作了H型柱弱轴方向刚性拼接的栓焊连接子结构试件(RWUF)和全螺栓连接子结构试件(RWUT)。对两种子结构试件进行单调静力加载试验并分析其破坏模式、变形性能和抗力机理。结果表明:两种试件的加载过程均经历了弹性阶段、压拱阶段、混合机制阶段(梁机制与悬链线机制的混合阶段),且子结构试件首次断裂均发生在混合机制阶段,悬链线效应的发挥为断后荷载的提升起到有利作用;试件的断裂均发生在梁段拼接处,RWUF在正弯矩区受拉侧焊缝断裂后破坏持续向腹板扩展,直至丧失承载力,RWUT的破坏仅为正弯矩区受拉侧盖板的断裂;螺栓发生有限滑移后,螺栓孔壁持续受到挤压,并发生轴向变形有利于塑性铰的转动,也为轴力的传递提供了路径,结构受荷后期悬链线效应显著,整体抗力得到提升。基于能量平衡原理对子结构进行动力评估可知,节点的非线性转动能力直接影响结构的抗倒塌能力,弱轴采用全螺栓连接的结构具备更高的动力倒塌抗力。

强震影响下多层建筑层间结构抗倒塌数值模拟

结构倒塌为建筑随机性事件,影响因素较多,导致多层建筑层间结构抗倒塌分析难度较大。为解决上述问题,设计强震影响下多层建筑层间结构抗倒塌数值模拟方法。采用有限元软件Opensees作为主要分析软件,通过结构尺寸及建模、钢筋本构模型建立、截面对象确定、梁柱单元建立、砂浆定义、损伤本构模型建立、结构动力平衡方程建立7部分完成结构抗倒塌数值模拟。在实验部分,分析倒塌机理,并采用所研究的模拟方法与实测值对比。结果表明:在最大竖向位移、底层位移角两个指标分析上,所研究的模拟方法与实测值相差较小,说明所研究的模拟方法具有较高的准确性。

合肥城区基于抗倒塌的地表地震动峰值加速度研究

根据合肥城区地貌及第四系分布特征,选取了36个典型钻孔,运用一维等效线性方法,对三种不同超越概率条件下地震动参数进行计算,并对峰值加速度放大系数以及罕遇地震动与基本地震动放大倍数的规律进行研究。结果表明:覆盖层厚度、地貌特征、土层结构对地表地震动峰值加速度及其放大系数的影响显著,且存在一定规律性。

构件抗力与多层钢框架结构抗倒塌能力的关联性分析

讨论构件抗力与结构抗力的关联性,分别给出不同结构参数下(层数与跨数)层间抗弯能力、层间水平约束以及大变形阶段层间极限轴力的计算模型。借助构件性能指标并结合各层构件的实际受力状态(包括拉弯、受弯和压弯),得到多层框架起始屈服抗力、最终屈服抗力与极限抗力的计算式。通过可靠的数值模型对多层钢框架模型抗力评估过程的3个步骤进行验证与分析。研究结果表明,多层框架层间内力主要体现为小变形阶段层间抗弯能力与大变形阶段层间轴力的差异;计算结果与数值结果较为接近,该理论方法可体现层间内力的相互作用并建立构件与结构抗力之间的关系,为多层钢框架抗倒塌能力的评估与计算提供参考。

基于整体易损性的猫头型输电塔抗倒塌能力分析

作为输电线路的主要组成部分,输电塔结构对地震作用非常敏感。本文以中国输电线路中常采用的猫头型输电塔结构为例,开展了输电塔结构整体抗地震倒塌能力分析。以某一实际单回路3个不同高度的直线塔为研究对象,基于OpenSees平台建立输电塔结构三维有限元模型,定义4个倒塌极限状态依据,选取20条远场地震动记录,采用增量动力分析(IDA)方法,得到4个倒塌极限状态依据下输电塔结构的倒塌点,进一步获得输电塔结构的倒塌易损性曲线及其潜在失效杆件,并评估其在不同水平设计地震作用下的倒塌裕度比。研究结果表明,猫头型输电塔的地震损伤主要集中在塔头位置;随着塔体高度的增高,猫头型输电塔抗地震倒塌能力减弱;猫头型输电塔在巨震作用下存在一定的倒塌风险。

基于抗震韧性指标的单层球面网壳施工期抗倒塌性能评价与优化

为评价施工期未合拢、非完整的单层球面网壳结构抗倒塌性能,本文提出了考虑施工全过程的网壳结构安全功能曲线,建立了基于抗震韧性指标的网壳施工期抗倒塌性能评价方法,并以跨度40m的K8型单层球面网壳结构为例,开展了不同施工方案下结构的抗倒塌性能评价与优化分析.分析结果表明:不同施工阶段下非完整单层球面网壳抗倒塌性能不同,非完整网壳抗倒塌性能评价须考虑施工全过程的影响.通过计算网壳施工全过程的抗震韧性指标,有效判别了网壳抗倒塌性能的最不利施工阶段为第14施工步骤.通过对韧性指标较低的施工步进行拼装方案优化,优化后最不利施工阶段的损伤杆件数量减少了29.32%,韧性值提高了18.12%,有效提高了网壳施工全过程的抗倒塌性能.

钢筋混凝土结构抗倒塌加固方法与设计

当建筑物遭受到地震、爆炸、车辆撞击等异常荷载的作用时,容易发生局部破坏,甚至整体倒塌,对建筑结构进行抗倒塌的加固是防止结构连续倒塌和避免结构整体倒塌的关键,总结了目前用于结构中抗倒塌加固的材料和方法。最后,为了经济合理的对结构进行抗倒塌的加固,提出了对RC结构抗倒塌加固之前首先进行评估,然后根据抗倒塌加固设计流程和设计方法进行抗倒塌加固,并对今后结构抗倒塌加固进行了展望。

多道抗震防线下高层建筑连续抗倒塌性能分析

为提升高层建筑结构的稳定性,研究基于多道抗震防线的高层建筑连续抗倒塌性能。选取建筑结构试件,计算试件节点域屈服承载力与极限承载力,判断建筑结构抗震能力,计算建筑结构弹性模量,获取高层建筑结构连续抗倒塌性能相关系数,判断连续抗倒塌性能。研究结果表明:高层建筑在受到破坏时,受损框架抗剪承载力与完整框架之间的差异性较小,当最大基底剪力在耗能梁段遭受破坏时,屈服型耗能梁段框架抗剪承载力会相应升高,框架遭受破坏对高层建筑结构支撑框架抗剪承载力影响较低。

从汶川地震看提高建筑结构抗倒塌能力的必要性和可行性

汶川地震的发生是对我国自1978年第一部建筑抗震设计规范颁布以来,也是对按各阶段建筑抗震规范设计的建筑物抗震能力的检验。通过震害调查分析目前我国建筑抗震设计规范存在的问题,提出应适当提高低烈度抗震设防建筑"大震不倒"的设防水准,并考虑整体现浇楼板对结构"强柱弱梁"的影响,以及在建筑抗震设计规范中宜增加建筑结构倒塌分析及抗倒塌措施的建议。

基于节点刚度的钢框架梁柱子结构抗倒塌性能试验研究

以钢框架中3种不同连接节点形式(栓焊连接、顶底角钢腹板双角钢连接和腹板双角钢连接)的两跨三柱型梁柱子结构为研究对象,通过对中柱施加静力荷载的大变形试验考察梁柱子结构在中柱失效连续倒塌条件下的破坏模式、力学形态和抗倒塌机理。结果表明:栓焊连接试件因梁柱节点处梁端受拉翼缘发生断裂而失效;顶底角钢腹板双角钢连接试件为梁柱相连的受拉角钢在螺栓孔处发生断裂,且因梁端腹板螺栓孔发生承压破坏而失效;腹板双角钢连接试件因腹板两侧角钢在螺栓孔处断裂而破坏。梁柱节点刚度对结构的抗倒塌性能影响较大,腹板双角钢连接试件主要通过悬链线机制提供抗力;而其他两类试件在加载前期主要通过梁机制提供抗力,进而转变由悬链线机制来抵抗外部荷载。其中,顶底角钢腹板双角钢连接试件在后期更能充分发展梁端节点转角和梁截面轴力,表现出更为富余的抗倒塌能力储备。

不同跨度比下腹板双角钢连接抗倒塌性能研究

基于备用荷载路径法,以腹板双角钢连接的3个不同跨度比(1.0∶0.6、1.0∶1.0、1.0∶1.4)两跨三柱型钢框架梁柱子结构为研究对象,通过单调静力加载试验和数值分析探究了其在连续倒塌条件下的破坏模式、力学形态、抗力机制和节点失效机理。结果表明,试件破坏均为失效柱与梁相连的两侧角钢因受拉在螺栓孔处发生断裂,且梁轴力、梁端节点转角以及角钢尺寸等是影响角钢肢断裂破坏的主要因素。3个试件具有相似的变形形态和破坏模式,其最大荷载峰值接近,但最大荷载峰值对应的失效柱水平位移随跨度比的增大而依次减小。对不等跨试件,变形较大时梁柱子结构因短梁梁端转角远大于长梁,使得内力重分布时线刚度较大的短梁将承担较多的水平荷载而先发生破坏,且不等跨试件的梁端塑性转角大于等跨试件。3个试件的抗力机制发展过程均可划分为梁机制与悬链线机制的混合阶段、悬链线机制阶段,且悬链线机制的充分发挥需要梁柱间具有可靠的拉结力。通过数值分析,考虑梁柱子结构材料和几何非线性、接触非线性及钢材的断裂,其结果与试验吻合较好;在此基础上,深入分析了周边构件对该连接梁柱子结构的边界约束作用,当边柱刚度足够时,周边构件的轴向约束对梁柱子结构抗倒塌承载力的影响不大。

不同跨度比下栓焊刚性连接梁柱子结构抗倒塌性能试验研究

以钢框架中3个不同跨度比(1∶0.6、1∶1.0、1∶1.4)的栓焊刚性连接梁柱子结构(两跨三柱型)为研究对象,通过单调静力加载试验研究了连续倒塌条件下梁柱子结构的破坏模式、力学形态和抗力机理。试验结果表明,试件表现出多次、间断性破坏特征,先是失效柱与梁受拉翼缘连接处断裂,进而因跨度比不同有所差异:等跨试件边柱梁柱节点处梁端受拉翼缘发生断裂;不等跨试件短梁受拉翼缘与边柱连接附近处发生断裂,短梁先于长梁失效。3个试件的变形形态相似,其抗力机制发展过程可划分为梁机制阶段、梁受弯向受拉转化的过渡阶段和悬链线机制阶段。试件的多次局部破坏使其呈现出多个荷载峰值点,在梁机制阶段荷载随跨度比增大而减小,之后等跨试件因上下梁的协同工作可提供高于梁机制阶段的承载力,而不等跨试件由于短梁先于长梁失效而长梁的悬链线效应未能充分发挥,荷载峰值依次降低,即等跨结构较非等跨结构在大变形时具有更好的传力机制,有利于提高结构的抗倒塌承载力。

不同倒塌判定准则对评价RC框架结构抗倒塌能力的影响

合理评价建筑结构抗倒塌能力是综合评价结构抗震性能和进行抗倒塌设计的前提与基础。由于模拟结构倒塌过程的复杂性,通常是以间接的方式(倒塌判定准则)判断结构是否发生倒塌。倒塌判定准则的重要性不言而喻。根据试验与数值分析相结合的手段,分析4种常用的倒塌判定准则判断结构倒塌的合理性;基于IDA的结构抗倒塌易损性分析方法,定量分析各倒塌判定准则对确定RC框架结构抗倒塌能力的影响,并根据分析结果提出有关建议。

结构抗倒塌易损性分析中地震动输入不确定性影响研究

在结构抗倒塌易损性分析中地震动输入的选取只是众多环节之一,其不确定性影响往往被忽视。该文基于 PEER 强震动记录数据库,按震级、距离和场地参数(M、R、VS30)进行单变量控制将强震动记录分成 9 组,新定义指数 ISa 用以比较不同分组地震动的相对能量差异;对 3 层、8 层以及 15 层三种不同自振周期的混凝土框架结构采用 IDA 方法进行抗倒塌易损性分析,比较不同 M、R、VS30工况地震动输入下的易损性结果,同时与 ATC63推荐记录作为地震动输入的易损性结果进行了对比,结果表明:3 种结构的倒塌性态点 Sa(T1)均随着 M 增大、R增大以及 VS30 变小而减小;三种结构都体现了在大震、远场及软土场地的地震动作用下更加易损倒塌,与 ISa 指数体现的地震动蕴含能量的分布相一致;通过 SI 和 SImax 两个参数在不同工况下的对比,表明中长周期结构受距离的影响更为显著,以及震级对结构抗倒塌影响更敏感;以 ATC63 推荐的强震动记录随意用作地震输入被证实可引起结构抗倒塌易损性曲线较大的不确定性。为降低不确定性影响,建议在进行结构抗倒塌易损性分析时采用考虑场址危险一致性与结构自振特性的地震动输入选取方法。

考虑悬索作用钢筋混凝土梁柱子结构抗倒塌性能试验研究

在爆炸及冲击荷载作用下,没有经过抗倒塌设计的高层建筑可能会产生不成比例的倒塌破坏。通过变化配筋率、钢筋等级、加载速度等方式完成5个约束梁试验,研究钢筋混凝土柱失效情况下,梁柱子结构在考虑悬索作用效应时的抗倒塌性能。试件两端预埋钢管并通过钢轴与钢箱上的支座连接,电液伺服作动器在预定时间内采用位移控制连续加载,在大约400mm位移时试件由于钢筋的断裂发生倒塌破坏,此时试件的承载能力大约是塑性阶段的2倍而位移将近20倍。基于试验结果和现象,对试件的受力过程、力的转换机制以及悬索作用机理进行分析与探讨,并对梁柱子结构抗倒塌设计提出悬索作用的简化计算方法。

结构工程抗倒塌设计研究综述

分析了地震、爆炸、冲击等造成结构倒塌的原因,指出了倒塌结构在设计、施工等方面存在的问题;归纳了现行规范在抗倒塌设计方面的相关内容,特别指出了中国规范在这方面的不足;总结了现有的破坏准则和抗倒塌设计方法,指出了其中的不足;最后从破坏准则、设计方法、规范修订等多个方面对今后的研究工作做了展望。

爆炸移除钢筋混凝土框架柱抗倒塌性能数值模拟

基于已有的爆炸移除钢筋混凝土框架柱的实验数据,利用有限元软件AUTODYN建立了一个分离式与整体式相结合的4层2跨钢筋混凝土框架结构的三维有限元模型,并采用三阶段分析法,对爆炸移除钢筋混凝土柱的结构动力响应和破坏形态进行了数值模拟,且考虑炸药、空气与结构的流固耦合作用和应变率对材料的动态本构特性的影响.在爆炸移除短边中柱与角柱两种工况下,计算得到的柱破坏形态和梁柱节点动态位移与实验结果吻合较好,还分析了柱内纵筋对RC框架结构的动态响应的影响以及柱的破坏失效过程.计算结果表明:对发生塑性和弹性变形区域分别采用分离式和整体式建模,不仅保证了钢筋混凝土框架柱的爆破作用过程数值模拟的真实性和适用性,又大量缩短了计算时间,可为今后爆炸荷载作用下RC框架的参数影响分析和连续倒塌破坏模式控制提供参考.