多层钢框架抗连续性倒塌分析

蒲文国

海南大学土木建筑工程学院（570228）

0 引言

建筑结构连续性倒塌是指结构在正常使用条件下由于偶然事件引起局部破坏并沿构件传递，最终导致整个建筑物倒塌或者造成与初始破坏不成比例的倒塌[1]。引起结构连续性倒塌的原因主要有施工错误、煤气爆炸、机动车辆撞击、火灾等。连续性倒塌一旦发生，一般造成惨重的人员伤亡和财产损失。近年来由于各种意外事件造成的建筑结构连续性倒塌事故，使得该问题日益受到公众的关注和研究者的重视[2]。

自1968年英国Ronan Point公寓倒塌事件以来，国外已经对连续倒塌问题进行了四十多年的研究，并编制了相关设计规范：如美国公共事务管理局编制的《联邦办公楼和大型现代建筑连续性倒塌分析和设计指南》（GSA2003）[3]、美国国防部编制的《建筑抗连续倒塌设计》（DoD2005）[4]等都较为详细地阐述了结构抗连续倒塌的设计方法及流程。而我国规范目前尚未规定详细抗连续倒塌设计方法，仅对抗连续倒塌作了简单的说明，没有提出设计的具体方法和准则，缺乏可操作性。

因此,本文参考美国公共事务管理局编制的《联邦办公楼和大型现代建筑连续性倒塌分析和设计指南》提供的设计方法和流程，基于ABAQUS有限元软件，采用拆除构件法，对某钢框架结构进行连续倒塌计算分析，分析其抗连续倒塌能力。

1 钢框架有限元模型

以一榀三层四跨平面钢框架为研究对象，其结构形式如图1所示，跨度为6.0 m，层高为3.6 m。

所有梁柱均为焊接H型截面，梁采用300 mm×250 mm×8 mm×12 mm，柱采用 300 mm×300 mm×10 mm×15 mm。 钢材弹性模量为 2.06×105 MPa，密度为7 850 kg/m3，屈服强度为388 MPa。梁上均作用恒荷载为20 kN/m，活荷载为8 kN/m。恒荷载分项系数为1.2，活荷载分项系数为1.4。钢柱、钢梁选用的单元为B22梁单元。有限元模型见图2。

2 初始结构拆除构件分析

将图2所示的框架有限元模型作为初始结构，对该结构模型依次拆除规定的构件，并进行线性静力分析。拆除流程拆除流程遵循GSA2003中对柱拆除位置的规定。

图1

图2

2.1 柱的拆除位置

柱拆除位置考虑了如下三种情况。

工况一：底层一根角柱失效，如图3（a）所示；工况二：底层一根内柱失效，如图 3（b）所示；工况三：底层一根中柱失效，如图3（c）所示。

图3 柱拆除位置

2.2 荷载计算和破坏准则

GSA2003[3]和DOD2009[4]中规定，线性静力分析时，作用在结构上的竖向荷载为：在移去承重柱上部相邻开间施加2(1.0D+0.25L)的等效静力荷载，在其它部位施加(1.0D+0.25L)的荷载(其中D为恒载，L为活载)。

计算结果判断构件是否发生破坏时，由需求能力比DCR值作为判别指标，DCR的定义为：

QUD为拆除构件法分析得出的构件或节点的内力(弯矩、轴力或剪力)；

QCE为构件或节点的极限承载力(弯矩、轴力或剪力)。

DCR的允许值为2.0,若超过此值,则认为破坏。

2.3 计算结果与分析

分析得初始结构梁的极限弯矩见表1。

表1 初始结构梁的极限承载力

分析得到的工况一下平面钢框架结构截面弯矩云图见图4，位移云图见图5。

图4 工况一平面钢框架截面弯矩云图（单位：N·m）

图5 工况一平面钢框架竖向位移云图（单位：m）（位移增大倍数：20）

表2 工况一结构DCR值计算结果

分析得到的工况二下平面钢框架结构截面弯矩云图见图6，位移云图见图7。

分析得到的工况三下平面钢框架结构截面弯矩云图见图8，位移云图见图9。

图6 工况二平面钢框架截面弯矩云图（单位：N·m）

图7 工况二平面钢框架竖向位移云图（单位：m）（位移增大倍数：20）

表3 工况二结构DCR值计算结果

图8 工况三平面钢框架截面弯矩云图（单位：N·m）

图9 工况三平面钢框架竖向位移云图（单位：m）（位移增大倍数：20）

由图4，图6，图8可以看出各工况下结构梁的最大弯矩发生在失效柱直接支承的梁的两端，并且随着层数的增高，弯矩逐渐减小。

由图5，图7，图9可以得到各工况下结构最大竖向位移分别为0.146 m，0.104 m，0.101 m，结构最大竖向位移发生在结构失效柱支撑的节点处，并且随着层数的提高，所在层的竖向位移越来越小。

表4 工况三结构DCR值计算结果

工况一下平面钢架结构DCR值计算结果如表2所示,可以得到，失效柱直接支承的梁两端的DCR分别为0.88，1.13，大于其他梁的DCR，但均小于2。工况二下平面钢架结构DCR值计算结果如表3所示，可以得到，失效柱直接支承的左梁两端的DCR分别为1.85，0.84,右梁两端的DCR分别为0.84,0.96，大于其他梁的DCR，但均小于2。工况三下平面钢框架结构DCR值计算结果如表4所示，可以得到,失效柱直接支承的梁两端的DCR分别为0.95，0.86，均大于其他梁的DCR，但均小于2。各个工况的DCR值说明了：1）各工况下框架结构满足抗连续倒塌方面的要求。2）发生破坏的位置主要在梁与柱节点处的梁的远端位置上，且该柱的失效对直接支撑梁的影响要大于其他梁。

3 结论

本为按照GSA2003所提供的分析流程，对一榀三层四跨平面钢框架结构进行了拆除构件分析。可以得出以下结论：

1）从各工况DCR计算结果可知，本模型在抗连续倒塌方面满足相应的要求。柱失效后，最大弯矩发生在失效柱直接支承的梁的两端，并且随着层数得增高，弯矩逐渐减小。结构最大竖向发生在结构失效柱支撑的节点处,并且随着层数的提高，所在层的竖向位移越来越小。

2）柱失效后，相邻的两根梁合为一根梁，梁端弯矩增大。发生破坏的位置主要在梁与柱节点处的梁的远端位置上，且该柱的失效对直接支撑梁的影响要大于其他梁。

[1]ELLINGWOOD B R.Mitigating risk from abnormal loads and progressive collapse[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2006,20(4)：315～323.

[2]胡晓斌,钱稼茹.结构连续倒塌分析与设计方法综述[J].建筑结构,2006,36(增刊)：5～79,5～83.

[3]GSA2003.Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Project[S].U.S.General Services Administration，June 2003.

[4]UFC 4-023-03.Design of Structures to Resist Progressive Collapse[S].Unified facilities criteria,14 July 2009.