钢框架—组合楼板体系抗连续倒塌性能研究★

冯 又 全

(上海风畅土木工程技术有限公司，上海 200433)



钢框架—组合楼板体系抗连续倒塌性能研究★

冯 又 全

(上海风畅土木工程技术有限公司，上海 200433)

通过将一足尺两层2×2空间钢框架结构底层边跨中柱突然拉倒进行抗连续倒塌试验研究,采用了实体单元和壳单元相结合的建模方式，对试验框架进行了非线性动力有限元分析，试验结果和有限元分析结果表明：关键柱失效后，组合楼板可提供可靠拉结并形成新的荷载传递路径。

钢框架，组合楼板，有限元模型，倒塌性能

建筑物的连续倒塌是指结构体系发生局部破坏后，破坏由一个构件向另一个构件扩展，最终导致结构发生整体坍塌或大范围倒塌[1]。自2001年美国世贸中心遭到重创并发生整体倒塌之后，研究人员在钢框架结构体系的抗连续倒塌能力方面做了大量工作。Kwasniewski[2]对一8层钢框架根据GSA指导准则，考虑节点和组合楼板影响进行抗连续倒塌分析。Yu等[3]采用有限元方法模拟了带组合楼板的单层钢框架的连续倒塌，讨论了节点和混凝土板对结构抗连续倒塌的影响。由此可见，近几年来相关学者已开始关注组合楼板对结构体系抗连续倒塌能力的影响，但是尚未形成行之有效的模拟方法。本文以一足尺两层两跨空间钢框架结构为研究对象，建立考虑梁柱节点的有限元模型，分析在竖向荷载下单根中间柱突然失效后框架的受力性能，并与试验结果进行对比分析。

1 试验概况

1.1 试验框架

试验框架为两层两跨钢框架(见图1)，钢框架构件截面及材料如表1所示。框架梁与框架柱栓焊刚性连接，框架梁翼缘与短梁翼缘对接焊，腹板采用8.8级高强螺栓拼接，节点连接板接触表面喷砂。楼板为压型钢板—混凝土组合板，压型钢板规格为YXB51-250-750(1.0 mm)，上方铺设C40混凝土板，净厚80 mm。钢梁上翼缘焊接剪力钉，混凝土板内配置双层双向Φ8@150钢筋。钢梁截面见表1，表中X取为1,2，指代楼层。

表1 构件尺寸及材料参数

构件名截面规格强度等级设计强度/MPa屈服强度/MPaX-B3,X-B4H200×125×6×8Q420B380420X-B1,X-B2X-B5,X-B6HW150×75×5×7Q235B215235框架柱HW150×150×7×10Q235B215235

1.2 荷载信息

一层楼面永久荷载按5.0 kN/m2考虑，活载按2.5 kN/m2考虑；二层楼面永久荷载按6.0 kN/m2考虑，活载按0.5 kN/m2考虑，部分楼面考虑0.5 kN/m2的吊重。试验框架设计满足GB 50017—2003钢结构设计规范[4]要求，框架梁刚度考虑组合楼盖的作用，按JGJ 99—98高层民用建筑钢结构技术规程[5]中7.1.1条组合梁考虑，在试验最大堆载作用下框架梁应力比在0.85～0.95之间，框架柱的轴压比为0.3左右。荷载分布图见图2，加载参数见表2。

表2 加载参数

均布荷载/kN·m-2线荷载/kN·m-1q11q12q21q22q2322.918.311.38.36.9

1.3 失效柱模拟

UFC(2009)设计准则[6]采用备用荷载路径方法对框架结构进行抗连续倒塌分析时，通过假定“去除”某一竖向承重构件后，对结构进行动力或静力非线性分析以考察结构体系的抗连续倒塌能力。试验中通过将钢柱1-B3(位于轴和③轴交点，下同)拉出模拟失效考察结构体系的反应，评估其抗连续倒塌性能。由于组合楼板具有单向导荷的特点，钢柱1-B3为边跨中柱，主要承受轴向压力。楼面堆载至设计荷载后，用卷扬机在钢柱1-B3上端突然施加水平力，将其突然拉倒以模拟突然失效(见图3)。

2 有限元模型

2.1 模型建立

采用有限元软件ANSYS12.0[7]建立试验框架的数值模型(见图4a))，其中钢梁和钢柱采用壳单元Shell181模拟。梁柱节点区根据试验框架的实际构造建模，考虑加劲板的影响(见图4b))。组合楼板采用分层建模的方式实现：混凝土采用Solid65单元模拟，底层压型钢板采用Shell181单元模拟；板内的钢筋根据面积等效的原则折算为单向受力的薄钢板，采用Shell181单元嵌入混凝土内；钢梁和组合楼板之间的连接通过Mpc184单元模拟。

材料本构模型如下：钢材取理想弹塑性模型，屈服准则采用等向强化Von-Mises屈服准则，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比为ν=0.3，密度ρ=7.8×103kg/m3。混凝土本构关系根据GB 50010—2010混凝土结构设计规范[8]选用，轴心抗压强度设计值取19.1 MPa，泊松比为ν=0.2，密度ρ=2.5×103kg/m3，等效薄钢板本构关系同Q235钢材。

2.2 抽柱模拟

根据UFC(2009)规定：进行动力非线性分析时“去除”构件的时间t1不得大于剩余结构在“去除”构件处局部竖向振动模态周期T的1/10。钢柱1-B3失效后，结构竖向振动的自振周期为0.13 s，本文有限元模拟分析中柱子“瞬时”失效通过0.01 s的卸载时长模拟。文中按照以下三个步骤来模拟破坏柱的“突然”失效：对完整框架模型进行静力线性分析，确定拟失效柱上端的内力(M,V,N)；从完整框架模型中删除破坏柱，将原由破坏柱承担的内力反作用于失效柱顶部节点处，即施加-N,-M和-V模拟破坏柱的支承作用(见图5a))；在t=0.1 s时，使失效柱顶部节点施加的荷载在t1内减小至0来模拟柱突然失效(见图5b))。

3 试验与有限元分析结果

3.1 钢柱轴力

图6为钢柱1-B3失效前和失效后振动衰减至稳定时临近柱的轴力值。由图6可以看出，临近柱轴力的试验值和计算值吻合良好，二者相差在5%以内；钢柱1-B3失效前轴力为68 kN，钢柱1-B3失效后，各相邻柱轴力均有较明显变化，钢柱1-B2轴力增加68 kN，1-A3轴力增加17 kN，1-C3轴力增加17 kN；相离较远的钢柱1-A2和1-C2轴力则变化相对较小。这主要是因为钢柱1-B3破坏后，竖向荷载传递路径发生变化，原由钢柱1-B3承担的楼面荷载直接通过与其相连的梁向相邻柱转移。

3.2 钢梁翼缘应变

钢柱1-B3失效后，上方钢梁上下翼缘的应变分布如图7所示。由于试验框架和外加荷载相对轴对称，此处仅列出钢梁1-B1和2-B1上应变对试验结果和有限元分析结果进行对比。从图7可以看出，试验结果和数值分析结果趋势基本一致，有个别测点相差较大，这可能是由于试验过程中个别测点因干扰导致数据飘移。钢梁1-B1和2-B1在钢柱1-B3失效前后梁上应变发生明显变化，越靠近1-B3柱，应变变化幅度越大。这主要是由于钢柱1-B3失效后，钢梁1-B1和1-B2跨度倍增，变成一根梁，实际跨度由4 m突变为8 m，在靠近轴附近负弯矩增加，而在轴附近则由正弯矩变成负弯矩。钢柱2-B3因下方钢柱1-B3的失效，使得原有的竖向支承功能变为空间结构体系中的拉结构件，钢梁2-B1同样在轴失去竖向支承，因此其受力状态变化趋势与钢梁1-B1类似。

3.3 二层边跨梁抗弯刚度影响

在各框架柱截面相同的情况下，中柱发生继发破坏的可能性较大。从设计概念上来看，增强失效柱周边结构的整体拉结能力可使得内力重分配更趋于均匀，在本试验框架中，可通过适当增加顶层梁的刚度提高上部结构的整体拉结能力。抗弯刚度比定义为钢梁2-B1与钢梁1-B1绕强轴的抗弯刚度比值，图8给出了钢柱1-B3失效后，各相邻柱的轴力稳定值和峰值随抗弯刚度比的变化趋势。从图8可以看出，增大钢梁2-B1抗弯刚度可有效减小钢柱1-B2的轴力峰值和轴力稳定值，增加钢梁2-B1刚度至原刚度8倍时(此时梁高增加约1倍)，峰值和稳定值分别降低约9%和13%。这主要是因为增大钢梁2-B1的抗弯刚度可使得通过纵向钢梁1-B7向中柱1-B2分配的内力减小，转而由钢梁2-B1向钢柱1-C3和1-A3传递，从而使得内力重分配后各柱轴力更均匀。

4 结语

本文通过对二层两跨足尺钢框架结构的试验研究和数值分析，研究了单根柱失效后剩余结构的抗连续倒塌性能，主要结论如下：

1)由于组合楼板的加强作用，钢框架结构具有较高的冗余度，在某根柱子突然破坏后，结构可以形成新的荷载传递路径，从而避免发生连续倒塌；

2)采用壳单元和实体单元相结合的数值模型可以较好的模拟试验框架在钢柱失效前后的内力重分布，所得结构的动力响应有较高精度，可以将该数值模拟方法推广至实际结构的抗连续倒塌分析；

3)增加顶层梁的抗弯刚度可以有效提高框架结构的整体拉结力，使剩余结构在内力重分布后的各柱内力值更趋于均匀，减小中柱继发破坏的可能性。

[1] A. Astaneh-Asl, E. Madsen, D. McCallen, etc.. Study of cantenary mechanism of cables and floor to prevent progressive collapse of buildings subjected to blast loads[R]. Rep. to Sponsor: General Services Administration, University of California, Berkeley, Calif,2001.

[2] L. Kwasniewski. Nonlinear dynamic simulations of progressive collapse for a multistory biulding[J]. Engineering Structures,2010,32(5):1223-1235.

[3] M. Yu, X.X. Zha, J.Q. Ye. The influence of joints and composite floor slabs on effective tying of steel structures in preventing progressive collapse[J]. Journal of Constructional Steel Research,2010,66(3):442-451.

[4] GB 50017—2003,钢结构设计规范[S].

[5] JGJ 99—98,高层民用建筑钢结构技术规程[S].

[6] Department of Denfense (DOD). Design of buildings to resist progressive collapse, Unified Facilities Criteria(UFC4-023-03), Washington, D.C.,2009.(approved for republic release).

[7] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[8] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[S].

Research on progressive collapse resistance of steel moment-frame with composite slabs★

Feng Youquan

(ShanghaiFengchangCivilEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200433,China)

The progressive collapse resistance experiment of a two-storey steel frame was carried out by removing a peripheral column. The finite element model using solid and shell elements was developed to simulate the nonlinear dynamic process. The experimental and numerical results show that the composite slab can provide the horizontal tie force and develop the new load transfer path.

steel frame, composite slab, finite element model, collapse ferformance

1009-6825(2017)15-0024-04

2017-03-17★:国家自然科学基金资助项目(51378381)

冯又全(1973- )，男，博士

TU311.41

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