索拱结构连续倒塌分析

索拱结构连续倒塌分析

0抗连续倒塌性能的研究进展结构坍塌是指在正常使用下，由于意外事件，结构局部发生变化，导致周围框架的连通性破坏。最终结构坍塌或一般坍塌形成于以下不成比例的局部坍塌或整体坍塌。近年来,随着恐怖活动日益猖獗,结构的连续倒塌已成为世界范围内的一个热点问题,并在框架结构领域中取得丰富的研究成果,并编制了相关的分析与设计规范。随着我国建筑水平的不断进步,现代大型体育场馆、展览馆等公共建筑屋盖大多采用大跨度空间结构。现阶段,大跨度空间结构在正常使用状态下的设计分析方法已基本成熟,但在意外事件下结构抗倒塌性能的研究仍处于起步阶段。国内外有关空间结构在各种因素作用下(例如雪荷载、地基沉降等)的倒塌事故也经常见诸报道。而空间结构的连续倒塌研究多集中于网架结构,这主要是因为其具有广泛的适用性,无论是大型展馆还是小型加油站都可采用网架结构。相应的网架结构的倒塌事故数量也最多,尤其在我国2008年初的大雪灾害中,不少网架结构由于积雪过多而发生倒塌。文献针对不同类型的偶然事件,给出了网架结构的拉结强度法、拆除构件法、关键杆件法以及一些概念设计措施。文献根据变换荷载路径法对一大跨体育场的连续倒塌事故进行了分析。文献[11-12]分别对网架结构以及双层网格结构的连续倒塌研究情况进行了回顾和总结。对于本文所要研究的索拱结构屋盖体系,目前尚无相关的连续倒塌研究成果。变换荷载路径法(也称AP法)在其设计过程中不涉及意外事件的种类及其对结构的影响,能较好地评估结构的抗连续倒塌性能,因而是目前使用较为广泛的一种连续倒塌设计方法。但以往该方法的研究主要集中于框架等结构,其移除构件的选择等相应的规范要求也仅针对框架结构,对于大型空间结构而言,还需进一步的研究。本文利用基于概念判断的敏感性分析方法分析了单榀索拱结构的重要构件。然后对整个结构的重要构件及其几何位置分布、整体结构中空间作用的分布情况进行了讨论。最后采用AP法对该屋盖结构的抗连续倒塌性能进行了评估。1单拱结构分析1.1中央光照带结构体系内的几何建模新广州站主站房长468.8m、宽222.0m。屋盖采用大跨度预应力空间结构形式,如图1所示,根据结构体系的不同,屋盖可划分为三个区域,即中央采光带单层索拉网壳结构、两端入口处三向张弦梁结构以及中央采光带两侧由索拱、连系桁架、檩条、撑杆和钢管混凝土柱共同组成的空间结构,其主要受力构件为52榀索拱。利用基于概念判断的敏感性分析方法来选择变换荷载路径法中移除构件。该方法首先基于概念判断确定初选结构中的重要构件,然后对这些构件进行敏感性分析,确定结构的重要构件类型及其在整体结构中的几何位置分布。1.2主要构件的初步确定新广州站主站房主要采用两种索拱结构,即内凹式索拱结构(图2a)以及张弦梁结构(外凸式索拱结构,图2b)。相对其它索拱结构而言,索拱结构的一个明显的特点是采用双拱及双索体系,相当于是2榀平面索拱通过上弦连杆与拉索撑杆连接在一起的空间索拱。根据文献有关索拱结构重要构件的分析,初步选定的重要构件为:(1)与拉索、撑杆相交处的上弦拱杆件是影响拉索及撑杆性能的重要构件;(2)两处撑杆跨中拱段也是整个结构传力途径的关键部分,是结构的重要构件;(3)双索之间的连杆是维持两榀平面索拱共同作用的关键构件(上弦拱轴线之间距离为2000mm,而下部拉索轴线距离为500mm);(4)张弦梁结构的中间撑杆是其重要构件;(5)拉索。索拱结构中,柔性索的介入可以改变刚性结构的受力分布,使其成为结构效率较高的自平衡体系,同时可有效减轻结构自重,整体结构无需依靠增大刚性构件的截面尺寸来提高承载能力,降低结构挠度。但当柔性索失效时,其对结构的负作用影响也较大。文献的相关研究成果表明,内凹式索拱中一侧撑杆的数目只要大于等于2即可满足结构的正常设计要求,故可将撑杆作为内凹式索拱的次要构件。1.3要点三:平均敏感性指标的平均值以构件移除作为结构的损伤参数β,以节点位移作为结构响应γ,进行敏感性分析。结构中任意节点对应于构件i移除的敏感性指标,可表达为:其中:γ为正常情况下节点的响应;γ′为结构受损后节点的响应。计算中主要考虑节点在x、y、z三个方向的平动位移,任意节点针对构件i移除可计算出三个敏感性指标Sx、Sy、Sz。由敏感性指标S可推导出构件i的重要性系数αi,可取所有节点的三个平均敏感性指标的平均值作为受损构件i的重要性系数:其中,n为节点数目。利用有限元软件SAP2000计算,各个初选重要构件的敏感性分析结果见表1。表1中移除构件如图2所示。由表1可得出:内凹式索拱结构的三大组成部分中,上弦拱对结构的刚度和承载能力所起的作用最大,且越接近拱顶,拱段的构件重要性系数越高;而张弦梁结构最重要的上弦拱段出现在中间撑杆的外侧,不是完全的拱顶处。对于内凹式索拱而言,拉索之间的连杆是维持结构的刚度和承载能力的重要构件,其重要程度稍高于上弦拱的拱顶杆件。张弦梁结构则不存在这一现象,其原因是张弦梁结构和内凹式索拱结构撑杆数目不同。张弦梁结构中设置了3处撑杆,由3点控制2根拉索的稳定性,因此有效地降低了拉索连杆对结构的重要程度;由于跨中撑杆的设置,加强了拱顶处结构的刚度及连续性,因此最重要的拱段出现在中间撑杆的外侧。由表1还可知,在正常使用情况下,更换单根拉索对索拱结构性能的影响为各种情况中最小,这说明双索体系的设置,显著降低了拉索断裂对结构性能的影响。这为正常使用阶段拉索的更换提供了理论上的可行性。采用变换荷载路径法进行连续倒塌分析时,对于张弦梁结构可取中间撑杆外的上弦拱作为移除构件,对于内凹式索拱则取拉索之间的连杆及拱顶处的杆件作为移除构件。2全球结构分析2.1屋顶下索拱的支护体系沿结构x向,该屋盖体系可看作是6个单向索拱结构通过5榀连系桁架及相应支承柱所组成的大跨度预应力空间结构。中间4跨的内凹式索拱直接支承在连系桁架上,桁架下部间隔布置有钢管混凝土柱(沿结构y向,每2榀索拱有1根钢管混凝土柱)。两侧索拱的一端支承在连系桁架上,另一端支承在钢管混凝土柱上。结构的主要传力途径为:索拱→连系桁架→钢管混凝土柱。屋盖体系中的索拱结构体系与常规单向体系的主要区别在于连系桁架是部分索拱的弹性支承,下部没有对应的刚性支承柱,结构的空间作用较常规单向体系要大。且外侧两列索拱之间的檩条和撑杆数目较多(图1),屋盖的局部平面刚度较大,加大了结构的局部空间作用。2.2连系桁架结构的空间作用分析利用1.3节给出的敏感性分析确定失效索拱、失效柱及失效桁架在整体结构中的几何位置分布,并研究整体结构中空间作用的分布情况,根据研究结果确定是否可在平面结构上进行连续倒塌分析,即按结构x向或者y向一列索拱结构单独进行计算。根据结构对称性,可取中央采光带一侧26榀索拱组成的屋盖分析,图1中~轴所包含的索拱结构。图3为索拱结构构件的编号示意图,HJ1~HJ5为连系桁架的编号,SG1~SG26为索拱编号。失效柱的几何位置可参照美国UFC4-023-03规范中框架结构失效柱的布置要求,结构外围取x向中柱Z1、y向中柱Z2及角柱Z3;结构内部,结合该工程的实际情况,取桁架HJ1及桁架HJ3的中柱作为失效柱。以拉索索力作为结构的响应γ,进行敏感性分析,失效柱的重要性系数可表示为:其中:m为拉索的数目,计算结果见表2。由表2可得出:角柱的重要性系数最大,是整体结构中最为关键的支承柱,原因是结构边缘与其它部分的联系最弱,无法充分利用周围构件的拉结作用,不利于构件失效后的内力重分布;结构中间支承柱的重要性系数明显偏低,这说明连系桁架刚度大,具有较好的“搭桥跨越”能力,整体结构的连续性好。为研究整体结构的空间作用分布情况,将屋盖结构中央采光带一侧的26榀索拱沿着x向和y向进行区域划分。沿x向从左往右划分为6个区域,即5个连系桁架将屋面划分为6个区域,编号分别为:x1、x2、x3、x4、x5和x6。沿y向从下至上可以划分5个区域,即轴线、、、、所对应的区域编号分别为y1、y2、y3、y4、y5。取每个区域中拉索敏感性系数的平均值作为该区域的敏感性指标,以失效构件所在区域的敏感性指标为标准值对剩余区域的敏感性指标进行规格化处理,绘制敏感性指标的变化曲线图从而进行空间作用分析。例如,角柱失效情况下,即SG1处的支承柱失效,x向区域x1的敏感性指标Sx1=(SSG1+SSG2+SSG3+SSG4)/4,取Sx1作为标准值对剩余区域的敏感性指标进行规格化,图4为区域敏感性指标变化曲线。由区域敏感性指标变化趋势图可知,整体结构的空间作用沿x向分布较弱,失效构件的影响仅局限在失效区域附近。而沿y向空间作用较明显,尤其在靠近中央采光带单层网壳附近,空间作用复杂,纵向曲线的斜率出现突变。对受损索拱的几何位置进行敏感性分析时,取SG1(角部)、SG9(x向中部)、SG4和SG12(中央采光带附近)作为受损索拱。考虑到整体结构中撑杆与檩条的拉结作用,假定单榀空间索拱中的两榀平面索拱同时出现构件失效的情况,加强构件的损伤情况。同样,对连系桁架中失效构件的几何位置进行分析时,取HJ1中支承SG1、SG4的桁架腹杆及HJ3中支承SG9、SG12的桁架腹杆作为失效杆件。具体计算结果见表3。由表3可知:桁架腹杆的杆件重要性系数较小,说明整体结构的连续性好,檩条和撑杆对索拱的拉结作用大,且桁架自身的刚度及冗余度也很大,故桁架局部失效对整体结构性能的影响不大;对比索拱的重要性系数可知,内凹式索拱对结构的重要性大于端部的张弦梁结构,并且内凹式索拱中拉索连杆的失效对整体结构性能的影响很大。根据上述分析,可以得到如下结论:采用变换荷载路径法(AP法)进行结构连续倒塌分析时,取x向中柱Z1、角柱Z3、x向中部内凹式索拱SG9作为失效构件进行计算;尽管结构的空间作用沿x向分布较弱,但沿y向的空间作用分布情况与中央单层网壳的边界条件有关,故不能简单的取局部模型进行计算,仍需在整体模型中进行AP法计算。3计算方法的确定根据是否考虑结构的动力特性及材料的非线性因素,AP法主要分为线性静力计算、线性动力计算、非线性静力计算和非线性动力计算共四种计算方法。本文利用有限元软件SAP2000选择线性动力计算方法,并和考虑几何非线性的静力计算的结果比较,不考虑材料的非线性。取1.0DL(恒载)+0.25LL(活载)的荷载组合作为分析工况。3.1角柱失效分析按文献提出的考虑结构初始状态的等效荷载卸载法进行线性动力计算。首先提取1.0DL+0.25LL的荷载组合作用下角柱顶部的杆件内力,将其转化为角柱对柱顶节点的支承力,并定义为动力荷载P(包括轴力、弯矩、剪力)。其次对移除角柱的结构进行模态分析,提取其自振周期和前2阶模态频率,用于计算结构的初始持荷时间、构件的移除时间以及结构的阻尼比。依据如图5所示的加载路径进行时程分析,前t0秒内荷载P维持不变,从而保证时程分析过程中,整体结构有足够时间将荷载DL、LL、P作用下产生的强迫振动衰减完全,角柱失效时整体结构处于稳定的初始状态。荷载P的衰减时间,即角柱的失效时间取为tp秒。根据计算,取t0为20s,tp为0.5s。在有限元模型中建立线性时程分析工况,计算时间取40s,进行线性动力计算。静力计算时,取动力荷载放大系数2.0,对角柱失效下的结构进行静力计算,其动力放大荷载的分布范围为:SG1至SG2的区域以及SG1外部悬挑雨棚区域。静力计算角柱柱顶节点的竖向位移为398.7mm,而线性动力计算的结果为258.5mm,相差54%,静力计算结果偏小。如图6所示,角柱失效后整体结构的变形主要集中在SG1外侧的悬挑雨棚处,雨棚前端向下倾倒,变形最大处的竖向位移接近1m,另一端则向上拱起。同时在变形放大图中可清楚的看到SG1出现侧翻和扭转现象,在水平平面内,整个索拱以桁架为固定端,上弦拱向外扭转,下拉索则向内侧翻,撑杆节点的最大水平位移为200mm左右。在竖直平面内,索拱前端发生较大竖向位移,最大值为-300mm左右,接近桁架处则微微向上拱起。对于整体变形情况,角柱失效的变形影响范围局限在SG1本身及其外侧的悬挑雨棚。利用SAP2000有限元软件中的设计功能,结合GB50017—2003《钢结构设计规范》,对杆件进行强度破坏判断。根据设计结果,悬挑雨棚前端部分檩条由于轴向拉力过大而应力比超标;SG1中部分上弦拱之间的拉杆在弯矩和拉力的共同作用下应力比超标;在SG1与SG2之间,结构前端的部分斜撑由于拉力过大而应力比超标;SG2支承点附件的封边管由于拉力过大而失效。对于整体强度破坏,角柱失效的强度影响范围局限在失效角柱附近,主要是悬挑雨棚、SG1及SG1同SG2之间的一些拉结杆件。综合构件变形及强度的破坏情况可知,该索拱结构屋盖体系符合单向索拱结构的平面传力特征,巨型连续桁架“隔断”了结构破坏沿结构x向的传播,而沿结构的y向,相邻的主要水平受力构件SG2无论是变形还是应力比均没有大的影响。所以角柱失效的影响局限在其所支承的SG1受力范围内,结构不会发生连续倒塌。3.2结构体系内连索受力下降原因分析假定SG9中两侧撑杆之间的连杆在意外事件下同时失效,对结构进行时程分析。由于拉杆在荷载作用下主要承受轴向拉力,故忽略弯矩及剪力的影响,在动力荷载P中仅考虑连杆对节点的拉力。计算结果显示连杆失效对结构所造成的影响较小。对整体结构进行不考虑初始状态的静力计算。由局部结构的变形放大图(图7)可知,连杆失效使得SG9中的两根拉索无法共同工作,发生侧向变形失稳。同时应力比设计结果表明,SG9中拉索的索力接近设计状态的极限索力,中间撑杆发生强度破坏而失效。即连杆失效造成SG9承载能力下降,其所承担的屋盖竖向位移加大。造成两种计算方法结果差异较大的根本原因是构件失效前索拱结构初始状态的不同。在动力计算中,连杆失效之前,在外荷载的作用下两根拉索中已经具备了一定的应变能,其平面外的稳定性显著大于拉索应变能为零的情况。故此时,连杆失效的影响较小。而在静力计算中,由于不考虑结构的初始状态,拉索中的应变能为零。因此在没有侧向约束的情况下,拉索在荷载较小时就会发生大的侧向变形,从而造成索拱结构承载能力的下降。所以对于含有预应力拉索的结构体系而言,考虑构件意外失效前整体结构的初始状态是非常有必要的。采用