基于动力分析方法的框架结构抗倒塌性能浅析

2020-03-11

福建质量管理 2020年5期

(华南理工大学土木与交通学院广东广州 510641)

一、结构连续倒塌

建筑结构的连续倒塌是指结构在遭受地震或冲击等意外荷载后，出现局部关键构件损伤或破坏的情况，进而导致内力重分布引起结构的连续破坏倒塌[1]。如1995年的美国Alfred P.Murrah联邦政府办公大楼底层框架柱遭受汽车炸弹袭击以及2001年美国世界贸易大厦(WTC)双塔遭受飞机撞击事件，两者发生大面积倒塌，造成大量人员伤亡和经济损失。

目前对结构抗倒塌性能评估的研究主要有仿真试验、数值模拟及理论分析三个方向[2]。由于试验研究耗资耗时较多，且难以模拟足尺高层复杂结构的倒塌，使得数值模拟方法在连续倒塌分析中被广泛使用。各有限元计算分析软件可以对不同结构形式、结构布置、荷载工况以及失效构件位置等情况下的结构响应进行较为精确的计算，效率较高。而理论研究主要是定性研究连续倒塌的分析方法、构件敏感性分析以及构件的重要性分析。

二、抗倒塌动力分析方法

采用非线性动力分析方法来模拟构件瞬时破坏，即模拟短时间内实际结构在遭受初始破坏导致构件失效的过程，主要有三种分析方法[3]：

瞬时刚度退化法是指结构在处于静力平衡时，通过在短时间内取消目标竖向构件的刚度，即将失效的构件单元刚度矩阵乘以一个极小值来实现的，如软件中的“生死单元”设置。该方法无需重新建立新模型，可在原模型上直接设置工况，但是由于其对整体刚度矩阵的修改过大，往往导致结构计算的不收敛[4]。

瞬时加载法是通过将结构所有荷载以动力形式瞬间施加在剩余结构模型(已拆除目标构件)，从而实现结构的动力响应分析，操作便捷。该方法从结构无荷载零变形状态下开始计算，没有考虑结构初始变形的影响，会将复杂结构的动力特性过于简化，难以得到精确结果。

考虑初始变形的瞬时加载法是先建立完整结构模型进行静力分析，获取将移除构件的内力，然后建立剩余结构模型并将内力反向加载于剩余结构上，使得当前分析模型的内力与原结构分析结果等效，即考虑了结构的初始变形。最后在短时间内取消反向加载的目标构件内力(或正向加载已移除构件的内力与其平衡)，则引发剩余结构的内力重分布。

三、某RC框架结构连续倒塌动力分析

本文采用基于考虑初始变形的瞬时加载法进行框架结构的模拟倒塌分析，选取的结构模型共9层，总高度37m，场地土类别为Ⅱ类，7度(0.1g)设防，设计地震分组为第一组。先通过YJK进行弹性设计并在Perform3D中建立弹塑性纤维单元模型。砼本构使用约束混凝土，考虑箍筋约束；钢筋纤维使用非屈曲性钢材。

选取4处不同拆除位置为：结构中部、长边中部、短边中部以及角部，失效构件楼层选择首层和第四层，分析拆除竖向构件后剩余结构的位移、加速度及内力等动力响应，并以构件塑性转角为倒塌判断标准进行倒塌判断。参考《倒塌规范》中对于被拆除构件失效时间建议不大于0.1T1，取失效时间(取消反向加载内力时间)为0.1s，塑性转角限值为0.04[5]。

图1 首层柱失效后节点竖向位移时程图2 四层柱失效后节点竖向位移时程

由图1和图2可看出，首层柱失效的四个工况下失效构件支承节点均在1s(构件开始失效时刻)时位移突然剧烈增大，经过一段时间趋于稳定。其中，角柱失效和长边中柱失效引起的响应最大，说明其危险性最大；第四层柱的响应与首层柱相似，均为角柱和长边中柱失效时结构变形最大。而区别在于四层失效下的初始位移及失效后稳定位移较大。

为判断结构是否发生连续倒塌，提取各工况下与失效柱相连的各梁端转角，如表1所示。总体上，最大梁端塑性转角大小规律为长边中部>角部>中部>短边中部。由于该结构布置较为规则，配筋合理，所以在各工况下均没有出现梁转角超过限值的情况，但可结合各工况下位移响应得到竖向构件失效后结构响应的规律。

表1 各失效工况下最大梁端转角

角柱失效后形成悬臂结构承受结构上部的竖向荷载，将其传到相连梁构件上，由于梁端不能提供足够的轴向拉力，导致结构动态响应较其他工况大，最大转角也仅稍小于长边中部，则发生连续倒塌的概率较高；中柱失效后两个方向与失效柱相连的梁形成大跨度的单跨梁，周边结构能给梁端提供较大的轴向拉力，形成悬链线机制传递荷载，承载能力强，则发生倒塌概率较小；而边柱失效后虽也可产生悬链线机制，但长边失效后增加荷载较多且其跨度较大，因而节点位移和塑性转角更大，更容易发生连续倒塌。

首层和四层在相同位置构件失效时结构响应差别不大，四层失效时的内力值稍比首层小，但是由于结构配筋是地震作用控制，高楼层的配筋率较小承载力较低，导致变形稍比首层大。