框架结构抗连续倒

1、框架结构抗连续倒第1页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四前言：一般来说，如果结构的最终破坏状态与初始破坏不成比例，即可称之为连续倒塌。进行连续性倒塌分析的目的是确定结构抵抗偶然作用的能力，检验当某一个关键部位移除后荷载的重分布能力。结构连续倒塌分析可分为两类:连续倒塌评估和连续倒塌仿真。前者是指采用合适的分析方法及倒塌评价准则对己有建筑或拟建建筑进行连续倒塌分析，主要应用于结构抗连续倒塌设计;后者是对结构倒塌的全过程进行模拟。第2页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四1、连续倒塌分析方法目前抗连续倒塌分析的方法主要有：拆除构件法、特殊荷载抵抗法、构造设计法

2、以及连续倒塌仿真。特殊荷载抵抗法对结构进行抗连续倒塌分析，是把偶然作用对结构的影响量化成荷载载值大小，从而确定出分析中采用的荷载效应组合以及荷载量值。构造措施法是通过构造措施来加强结构的连续性和延性，维持结构的稳定性。第3页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四构造措施法的研究集中在分析结构拉结体系对结构的连接性、延性和冗余度的影响。拉结体系是指通过设置水平和垂直拉接筋，有效地将结构连接在一起，增加连续性和延性，使结构具有“搭桥”能力。结构的某一竖向承重构件破坏时，其上的水平构件中的拉杆通过悬索作用在破坏构件上方形成“桥”，改变原传力路径，将荷载由其相邻构件承担，从而限制破坏的

3、发展，提高结构的抗连续倒塌能力。结构的平面和竖向布置拉结体系能有效防止建筑物发生连续性倒塌，利用拉索的悬链线作用可大大增强结构的抗倒塌承载能力。下图所示为框架结构中，拉索悬链线作用的机理:第4页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四当框架中的某根柱因偶然作用失效时，设置于楼板中的拉索发挥悬链作用，把原来由失效柱承担的荷载向邻近的柱子传递，从而增强结构重新分布荷载的能力。第5页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四连续倒塌仿真综合运用固体力学理论和非线性有限元数值分析技术，对结构连续倒塌过程进行模拟仿真，了解连续倒塌破坏的全过程，为结构抗连续倒塌设计提供依据。在通

4、用有限元法基础上进行二次开发以及直接采用显式动力有限元分析软件如LS-DYNA就可以用于连续倒塌仿真。拆除构件法通过有选择性的移除一根或几根主要的竖向受力构件模拟偶然作用对建第6页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四筑物的直接主要破坏，然后分析剩余结构在自重和外部荷载作用下的内力重分布，检查结构构件或连接超出设计承载力后的破坏和整体结构的倒塌敏感性，以此来评价结构抵御连续倒塌的能力。其中，构件的“拆除”是指让相应的构件退出计算，但不影响相连构件之间的连接。也就是结构的节点不会受到影响。拆除构件法是从结构连续倒塌的含义出发研究关键构件破坏后结构响应状态的成熟方法，其分析技术注重

5、结构自身的抗力分析层面，分析对象为己破损结构，不计入偶然作用对结构中其它构件的冲击波作用和其它直接效应。第7页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四拆除构件法不针对某一种偶然作用来对结构进行特殊的设计，而是希望结构在发生局部破坏之后发挥体系自身的能力来控制或阻止破坏的扩散和蔓延。其分析过程与引起连续倒塌的原因无关，适用于各种非常规荷载作用下的倒塌分析，在偶然作用难以量化的条件下，这种方法的可操作性强，有助于初步认识结构体系的倒塌失效机制与性能表现，因而得到了广泛的应用第8页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四2、拆除构件的关键问题拆除构建的选择：根据美国规范的

6、规定对于抗弯框架体系，为了完成连续倒塌分析应考虑拆除的构件包括: (1)外部周边首层短边中部失去一根外柱;首层长边中部失去一根外柱;首层失去一根角柱。第9页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四(2)内部地下车库或空旷的首层内柱。这些部位的选取还是需要根据工程经验来确定。第10页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四破坏限度美国规范提出了主要承重构件失效带来的倒塌领域准则，允许破坏可能发生在失效构件的上一层或下一层，具体允许破坏程度如下: 纯框架体系的破坏范围不应大于一根柱以外任何方向一跨。 其他框架体系的破坏范围不应超过70m2或楼层面积的15%。如破坏范围超

7、过以上限值则应重新设计，从头开始连续倒塌分析。第11页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四下表给出了框架结构构件防倒塌的最大允许延性或转动限度。表中延性极限为极限位移与弹性位移比值Du/Dy第12页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四材料构建性能：构件在偶然作用下的失效是个短期行为，在瞬间脉冲作用下，钢筋和混凝土的平均应变速率比标准材性试验的应变速度高出几千倍，这将影响材料的强度和变形等力学性能，这种影响称之为应变率效应。国外研究表明，这种效应会显著提高钢筋混凝土材料的强度和延性。为考虑应变率效应的有利作用，导则中允许考虑连续倒塌分析时某些材料强度可以提高。

8、混凝土和钢筋可以比设计强度提高10%。第13页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四3、分析方法当结构发生初始破后，其几何构成发生突变而振动，从而产生惯性力，并通常伴有大变形，因此结构连续倒塌实质上是个非线性动力过程。而根据是否考虑非线性和动力效应，拆除构件法可采用线性静力分析、非线性静力分析、线性动力分析以及非线性动力分析四种分析方法。下面，将分别介绍这四种常用的分析方法。第14页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四线性静力分析线性静力分析是最简单最基本的一种分析方法，此方法中结构构件的移除是个静力过程，加载方式为一次性加载。为考虑构件的非线性，在分析中当某

9、一构件极限受弯承载力超过时，放松构件的转动自由度，置入一个固定弯矩等于构件屈服的极限受弯承载力，相当于人工加入塑性铰，重新分析修改后的结构。当某一构件超过受剪承载力时，该构件即为失效构件，在进行继续分析之前，失效构件必须先从模型中去掉。当某一失效构件去掉后，与该构件有关第15页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四的静载或活载必须重分配给其他构件。以迭代的方式完成这中分析直到结构稳定。如分析表明结构不稳定则将发生连续倒塌。可将倒塌的临界状态定义为结构的极限状态。对一特定的己有建筑，可通过不断增大分析工况中竖向荷载的系数，对结构进行上述的流程的分析，直至结构达到极限状态，则此时施

10、加在结构上的所有竖向荷载即为结构的抗倒塌极限荷载。这种方法通常只用于对结构进行粗略的连续倒塌评估或校核，而不用于连续倒塌的精确分析。第16页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四线性动力分析 线性动力分析虽然考虑了构件失效过程中的动力效应，但没考虑材料的非线性，在结构进入塑性大变形时，不能准确地计算动力放大效应、惯性力和阻尼力，因此不能评价结构塑性大变形时的行为。而对于弹性结构，由线性动力分析所得的结果又将偏于保守，且在分析过程中需要进行多次时程分析，过程比较复杂，耗时。因此，一般并不建议采用这种分析方法。第17页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四非线性静力

11、分析 非线性静力分析广泛的用于结构水平荷载的分析，也称为“推覆分析(pushover分析)”。其基本原理是将某种水平荷载模式作用于结构的计算模型上，逐步增加荷载直至达到目标荷载(或目标位移)，在分析过程中，允许构件进入非线性阶段。这种方法通过最大位移角和屈服位移的计算可用于分析结构在水平荷载作用下的延性情况。一般而言，结构的延性越好，在水平作用下的性能也愈好。第18页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四连续倒塌非线性静力分析可采用逐步增加竖向荷载直至达到目标荷载(位移)或结构倒塌，相当于“竖向pushover”分析。这种分析方法考虑了非线性效应，在确定结构的弹性极限和失效极限方面非常有效，可以补充非线性动力分析过程。第19页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四非线性动力分析非线性动力分析是分析连续倒塌最为精确的一种方法，分析过程充分考虑了构件移除的动力特性及材料的非线性，结构可以产生大变形，材料可以进入非线性阶段，出现塑性铰，可进行充分的内力重分布，真实地反应结构倒塌的实际过程，提供了更为理想的结果。第20页，共21页，2022年，5月20日，5点36分，星期四结构在不同偶然荷载作用