水平加强层对钢框架结构抗连续倒塌性能的影响

水平加强层对钢框架结构抗连续倒塌性能的影响

近年来，建筑物发生了持续坍塌的事故，造成了巨大的人员伤亡和财产损失。因此,提高结构的抗连续倒塌性能成为工程界亟需解决的问题之一,为此各国学者对该问题展开了各项研究[1~11]。钢框架结构因轻质高强、施工方便等特点而得到广泛应用,所以研究钢框架结构抗连续倒塌性能具有现实意义。对于多高层钢框架结构,汽车撞击和汽车炸弹袭击是造成其倒塌的主要原因。而框架底层柱、边柱的破坏概率远大于上层柱、内柱,因此可以在破坏概率较大的柱上方采取措施(如高层建筑在避难层设置水平加强层),以提高框架的竖向刚度、冗余度,从而改善框架结构的抗连续倒塌性能。但是,水平加强层及水平支撑对框架结构抗连续倒塌性能的影响程度尚缺乏分析研究。K.Khandelwal等对设置2种不同竖向支撑的钢框架结构进行了倒塌分析,结果表明设置偏心支撑的钢框架结构更不容易发生连续倒塌。本文以一幢10层钢框架结构为原型,研究水平加强层对钢框架抗连续倒塌性能的影响。1分析模式和方法论1.1主梁与柱间连接分析原型为一幢10层钢框架结构(图1),平面尺寸为16m×39.6m,纵向柱距为6.6m,横向柱距为6.6m和2.8m,底层层高5.0m,2~10层层高为4.0m。主梁与柱刚性连接,构件使用Q345B钢材。文中分别对无支撑纯框架(UBF)、竖向支撑框架(VBF)、水平支撑框架(HBF)和布置水平、竖向支撑框架(HVBF)4种结构进行分析。VBF在结构A轴、D轴设置竖向支撑(图1(b)),HBF在结构二层A轴~D轴设置水平支撑(图1(c)),HVBF除在A轴、D轴设置竖向和水平支撑外,在结构二层B轴、C轴设置水平支撑(图1(d))。4种结构的构件截面和结构总用钢量如表1所示。表中符号“□”指箱型截面。1.2计算参数选取研究局部构件失效后动力响应对结构体系的影响时,以框架梁和框架柱的响应作为考察指标,忽略楼板及次梁非主要影响因素,因此计算模型中未考虑楼板和次梁的影响。本文利用ANSYS软件建立模型时的计算参数选取如下:(1)梁、柱和支撑采用Beam189单元。(2)钢材本构关系采用理想弹塑性σ-ε关系,屈服强度为345MPa,弹性模量为2.060×105MPa,泊松比为0.3。(3)竖向荷载采用等效质量施加于梁,其中,原结构次梁传递至主梁的集中荷载通过质量单元Mass21施加于主梁。这是因为动力分析中需要形成质量矩阵计算单元的惯性力;此外,竖向荷载是在重力场形成的,即具有重力指向性的特点,而当以线荷载或面荷载等方式施加时,在计算中初设的竖向荷载可能因单元的转动而偏离重力场方向。1.3初始破坏的计算采用备用荷载路径法分析4种模型的抗连续倒塌性能,假想结构的一根柱子失效,考察结构在原有荷载作用下是否会发生连续倒塌。荷载组合参考美国GSA设计准则:式中:D为恒荷载的荷载效应值,包括楼面荷载和边梁线荷载,其中楼面荷载按4.5kN/m2计算,边梁上的外墙自重作用,取为6kN/m;L为可变荷载效应值(此处仅指楼面和屋面活荷载),按2.5kN/m2计算。初始破坏构件的数目和位置,根据文献,以不同底层柱发生初始破坏为独立分析工况。其中,在VBF和HVBF中,当角柱破坏时(即工况1和5),假设在汽车撞击等偶然荷载作用下,底层柱和底层的竖向支撑同时失效。1.4钢结构体系构件失效准则分析中判断结构构件破坏的标准参照美国GSA设计准则。GSA设计准则中非线性分析的构件失效准则为:延性比和塑性铰转角判断其是否破坏。本文根据GSA的非线性分析失效准则,设定钢结构体系构件的塑性铰转角和延性比限值如表2所示。其中,延性比为参考点处(如失效柱处)的最大挠度和屈服挠度之比,塑性铰转角为最大挠度和梁的长度之比。1.5支护作用及模型数据进行动力分析前,对完整框架模型进行静力线性分析,按式(1)所示荷载组合对框架梁施加荷载,确定拟失效柱上端的内力M、N、V,然后进行动力非线性分析。动力分析过程分为2个阶段:(1)从完整框架模型中删除失效柱,将原来由失效柱承担的内力反作用于失效柱顶部节点处,即施加M、N和V模拟失效柱的支承作用,同时将式(1)所示的荷载施加于结构(图2(a));(2)在t=0.1s时,使失效柱顶部节点施加的荷载在1μs内减小至0来模拟柱突然失效(图2(b))。鉴于结构响应的第一半波和第一峰值是考察结构抗连续倒塌性能的主要依据,为确保分析中出现结构反应的第一半波及其峰值,在柱失效后分析持续了3s结束。结构的阻尼采用瑞利阻尼,由于结构在底层柱破坏后的振动以局部竖向振动为主,对每种工况下删除底层柱的模型进行模态分析,找出以局部竖向振动为主的振型i和振型j计算得到质量阻尼系数α和刚度阻尼系数β:式中:ωi和ωj分别为删除底层柱的结构振型i和振型j的固有圆频率;ξ为结构的阻尼比,取0.035。4种模型在8种工况中的圆频率如表3所示,取ωi=ωj。2分析的结果2.1场景1.42.1.1竖向刚度分析图3为工况1~4下4种模型的失效柱柱顶位移响应。表4给出工况1~4中柱失效后失效柱柱顶的竖向屈服位移值和位移峰值,向下为正。工况1为角柱失效,和无支撑框架结构(UBF)相比,另外3种结构的失效柱柱顶位移峰值显著减小,这是因为在HBF中,失效柱上方的横向支撑与梁、柱组成桁架,提高了结构的竖向刚度,可有效抵抗竖向荷载,由此减小了失效柱柱顶位移;在VBF中,柱失效后,除失效柱上方2~10层桁架(由竖向支撑和梁、柱组成)减小失效柱柱顶位移,所以VBF中的位移小于HBF中的位移;HVBF的中的情形与VBF相似。工况2和3为边柱失效,工况4为内柱失效,这3种工况中,和无支撑框架结构(UBF)相比,仅布置竖向支撑的VBF的失效柱柱顶位移相差很小,而布置水平支撑的HBF和HVBF的失效柱柱顶位移均显著减小。这是由于在工况2~4中,失效柱不位于VBF中布置竖向支撑的跨内,而位于HBF和HVBF中布置横向支撑的跨内。2.1.2横向梁弯矩分布的变化表5显示了工况1~4中失效柱的底层相邻柱的轴力值,包含失效柱破坏前的轴力值和破坏后的轴力峰值。工况1为角柱失效,在UBF中,柱Z2的轴力峰值比柱失效前增加了862kN,而柱Z8的轴力峰值比失效前增加了1270kN,这表明原由失效柱承担的大部分荷载通过空腹桁架效应(vierendeelaction)传递至柱Z8,由于空腹桁架是通过杆件的弯曲变形来传递剪力的,所以原来由失效柱承担的一层纵向梁和横向梁中存在较大弯矩,且其弯矩分布也较柱失效前发生变化(UBF一层纵向梁弯矩见图4(a)(b))。分析结果表明,原来由失效柱承担的一层纵向梁和横向梁端的弯矩均达到各自的塑性弯矩。在另外3种结构中,柱Z2的轴力峰值的增幅均大于柱Z8的增幅,这是因为在HBF中,失效柱上方的横向支撑与梁、柱组成桁架,此桁架承担了大部分原来由失效柱承担的荷载,并将其传递至与桁架同平面的柱Z2,由于桁架中由腹杆传递剪力,所以失效柱承担的一层纵向梁中的弯矩较小(HBF中一层纵梁弯矩见图4(c)(d))。在VBF和HVBF中的情形与HBF中相似。工况2为边柱失效,UBF和VBF中失效柱的相邻柱的轴力峰值几乎相同,在这2种结构中柱Z11的增幅大于柱Z3(Z5)的增幅,而在HBF和HVBF中,柱Z3(Z5)的增幅却大于柱Z11的增幅。这是因为在这2种结构中,失效柱上方的桁架将原来由失效柱承担的大部分荷载传递至与桁架同平面的柱Z3(Z5)。工况3的情形与工况2相似。工况4为内柱失效,UBF和VBF中失效柱的相邻柱的轴力峰值几乎相同,在这2种结构中柱Z18的增幅大于其它相邻柱的增幅。而在HBF和HVBF中,柱Z18的增幅与柱Z10(Z12)的增幅相差很小,且相邻柱的轴力峰值较均匀。这是因为在这2种结构中失效柱上方的桁架将原由失效柱承担的大部分荷载传递至与桁架同平面的柱Z10(Z12)。2.2工作时间5.82.2.1横向支撑与hbf、hvbf的缺陷图5为工况5~8下4种模型的失效柱柱顶位移响应,表6给出工况5~8中柱失效后失效柱柱顶的竖向屈服位移值和位移峰值(向下为正)。工况5为一个角柱和一个边柱失效,无支撑框架结构(UBF)在柱失效后,失效柱Z1柱顶位移便一直增大,开始时位移增大较快,后位移增大趋缓。这是因为分析进行到0.301s时,原来由失效柱支承的一层纵向梁和横向梁端弯矩达到塑性弯矩,并且2~10层的纵向梁和横向梁也陆续达到塑性弯矩,结构无法增大梁端弯矩抵抗竖向荷载;随着柱顶位移的增大,结构以梁的悬链线作用抵抗竖向荷载并使位移增速减小。VBF中的情形与UBF中的情形相似,竖向支撑在其底层支承柱破坏后未能减小失效柱柱顶位移,并且2~10层的支撑自重作用使柱顶位移进一步增大。而在HBF中,失效柱上方的横向支撑与梁、柱组成桁架,提高了结构的竖向刚度,有效减小了失效柱柱顶位移。在HVBF中,除了2层水平加强层可以减小失效柱柱顶位移外,由于结构在2层布置了水平加强层,3~10层竖向支撑与梁、柱形成的桁架可以抵抗竖向荷载,所以HVBF中的位移小于HBF中的位移。工况6和7为两底层边柱失效,工况8为两底层内柱失效。这3种工况中,和无支撑框架结构(UBF)相比,仅布置竖向支撑的VBF的失效柱柱顶位移相差很小,而布置水平支撑的HBF和HVBF的失效柱柱顶位移均显著减小。这是由于在工况6~8中,失效柱位于HBF和HVBF中布置横向支撑的跨内。2.2.2两底层边柱的轴力实践表7显示了工况5~8中失效柱的底层相邻柱的轴力值,表7包含失效柱破坏前的轴力值和破坏后的轴力峰值。工况5为一个角柱和一个边柱失效,在UBF中,柱Z3的轴力峰值比柱失效前增加了981kN,而柱Z8和Z9的轴力峰值比失效前分别增加了2612kN和2320kN。这表明原来由失效柱承担的大部分荷载通过空腹桁架效应和悬链线作用传递至柱Z8和Z9。VBF中的情形与UBF相似。在另外2种结构中,柱Z2的轴力峰值的增幅均大于柱Z8和Z9的增幅。这是因为在HBF中,失效柱上方的横向支撑与梁、柱组成桁架,此桁架承担了大部分原来由失效柱承担的荷载,并将其传递至与桁架同平面的柱Z3。工况6为两底层边柱失效。UBF和VBF中失效柱的相邻柱Z5和Z10(Z11)的轴力峰值几乎相同,而柱Z2的轴力相差303kN。这是因为在VBF中柱Z2边底层竖向支撑承担一部分竖向荷载。在这2种结构中柱Z10(Z11)的增幅大于柱Z2和Z5的增幅,而在HBF和HVBF中,柱Z2和Z5的增幅却大于柱Z10(Z11)的增幅。这是因为在这2种结构中失效柱上方的桁架将原来由失效柱承担的大部分荷载传递至与桁架同平面的柱Z3(Z5)。工况7的情形与工况2相似。工况8为两内柱失效。UBF和VBF中失效柱的相邻柱的轴力峰值几乎相同,在这2种结构中柱Z17(Z18)的增幅大于其它相邻柱的增幅,而在HBF和HVBF中,柱Z17(Z18)的增幅减小。这是因为在这2种结构中失效柱上方的桁架将原来由失效柱承担的大部分荷载传递至与桁架同平面的柱Z9(Z12)。2.3构件安装角度表8给出了4种模型在每种工况中构件的延性比和塑性转角。由表中数据可知,参照GSA准则中的标准(表2),在工况1~4和工况6~8的4种模型中均未出现破坏构件,底层柱的破坏并未扩展。由此可见按照规范设计的钢框架结构具有一定的抗连续倒塌的能力。在上述工况中,内柱失效时4种模型中失效柱柱顶位移最小,可知内柱失效对结构造成的损害相对最小。而在工况5中,UBF中失效柱上方的梁接近破坏,而在HBF中构件的延性比和塑性转角均大幅减小,可知布置水平加强层提高了结构的安全储备,增加了结构的传力路径。此外,仅在结构二层布置水平柱间支撑不会影响结构使用功能,且对结构的总用钢量及造价影响不大。本文算例中水平支撑对框架总用钢量的增加仅为6.0%,对工程总造价的影响增加比例更小。3钢框架结构周围构件的作用机理通过对无支撑框架(UBF)、竖向支撑框架(VBF)、水平支撑框架(HBF)以及同时布置水平和竖向支撑框架(HVBF)4个模型在8种工况下的动力非线性分析,可知竖向支撑不能显著改善框架结构的竖向刚度,水平支撑的布置使得框架结构在局部柱失效后能将原来由失效柱承担的荷载传递至相邻构件,从而提高结构体系的抗连续倒塌性能。主要结论如下:(1)在钢框架结构底层柱上方布置水平加强层,水平支撑可以和梁、柱形成平面桁架,从而显著减小结构局部破坏处的竖向位移,可考虑在破坏概率较高的楼层上方设置水平加强层,