带转换梁的高层建筑结构抗连续倒塌性能分析
2024-02-08
来源:乌哈旅游
第33卷第1期 南昌大学学报(工科版) Vo1.33 No.1 2011年3月 Journal of Nanchang University(Engineering&Technology) Mar.201l 文章编号:1006—0456(2011)01—0033—05 带转换梁的高层建筑结构抗连续倒塌性能分析 熊进刚 ,蔡官民 ,李艳 (1.南昌大学建筑工程学院,江西南昌330031;2.江西省建筑设计研究总院,江西南昌330006) 摘要:对按我国现行规范设计的一栋带转换梁的高层建筑结构进行抗连续倒塌性能分析,结果表明:支承转换 梁的角柱或边柱一旦失效,结构就会发生连续倒塌;支承转换梁的内柱失效时,由于梁的悬链线作用,结构未发生 连续性破坏,但有多根梁进入了塑性状态,结构发生连续倒塌的可能性较大。针对上述3种情形,提出不同的应对 措施,以提高结构抗连续倒塌能力。 关键词:抗连续倒塌;高层建筑结构;框架结构;转换梁 中图分类号:TU375.4;TU973 .2 文献标志码:A Analysis on Progressive Collapse Resistance of Tall Building Structures with Transfer Girder XIONG Jin—gang ,CAI Guan—min ,LI Yan (1.School of Architectural Engineering,Nanchang University,Nanchang 33003 1,China; 2.Institute of Architectural Design&Research of Jiangxi Province.Nanchang 330006,China) Abstract:It is analyzed in this paper on progressive collapse resistance ability of tall building structures with transfer girdes that are designed accroding to the current design code.The results show that once the corner or edge column of supporting transfer girdes is failed,the structure will collapse in a row.If the inner column of supporting transfer girdes is failed,the risk of the structure collapse is high.Aim at the above results,different strategies and means of improving progressive collapse resistance ability of the structure are proposed. Key Words:progressive collapse resistance;tall building structure;flame structure;transfer girder 建筑结构因突发事件的作用,其直接的局部破 方面提出了钢筋混凝土房屋防连续倒塌的若干设计 坏引起在水平方向和竖直方向结构的连锁破坏而造 概念,江晓峰、陈以一 9 对结构连续倒塌控制与设 成的整个结构或大部分结构的倒塌现象被称为“连 计方法、结构鲁棒性能和冗余特性等问题做了评述; 续倒塌”。自1968年Ronan Point公寓发生倒塌以 2010年,叶列平等 。。提出了我国框架结构抗连续 来,国外关于建筑物连续倒塌问题的研究一直没有 倒塌的概念设计、拉结强度设计方法和拆除构件设 中断¨ J,但我国在这方面的研究起步较晚。2001 计法。我国现行结构设计规范和标准对抗连续倒塌 年清华大学陆新征和江见鲸教授对世贸大厦飞机撞 问题涉及较少,在今后的工程设计规范中,采取适当 击后的倒塌过程进行了仿真分析;2003年张雷明、 的抗连续倒塌措施将成为一项基本的设计要求。避 刘西拉教授对结构倒塌分析的几个难点问题进行了 免建筑物在煤气爆炸、车辆撞击或汽车炸弹等突发 评述;2007年,王开强、李国强 对美国建筑连续倒 事件下的连续倒塌正成为工程研究的关注点。 塌设计标准的现状做了分析,易伟建等[ 完成了一 现代高层建筑向着功能多样的综合性方向发 榀4跨3层的钢筋混凝土平面框架的倒塌试验; 展,在同一座建筑中,沿房屋高度方向建筑功能要发 2008年,胡庆昌 从结构体系、构件的受力性能等 生变化,上部楼层做旅馆、住宅,下部楼层做商店、餐 收稿日期:2010—09—15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50968012) 作者简介:熊进刚(1970一),男,教授,博士。 引文格式:熊进刚,蔡官民,李艳.带转换梁的高层建筑结构抗连续倒塌性能分析[J].南昌大学学报:工科版,2011,33 (1):33—37. 南昌大学学报(工科版) 2011拄 馆等,这就需解决上部小开问结构向底部大开间结 构的转换问题,为此,采用“底部抽柱,托梁转换”的 技术,形成所谓的底部抽柱带转换梁的结构 。底 部柱支承着转换大梁,对建筑结构的安全至关重要, 为探讨在突发事件时底部柱的失效是否会引起在结 构的连锁破坏而造成整个结构或大部分结构倒塌问 题,本文结合一工程实例,对此进行分析,并提出了 相关应对措施。 1工程概况 某商住楼工程,1、2层为商场,3至11层为住 宅,结构首层层高3.9 m,2层层高为4.5 m,其它层 层高3.0 m,结构平面布置如图1所示,转换层设在 第2层(标高8.4 m)。场地类别Ⅱ类,地面粗糙度 C类,基本风压0.35 kN・m~。混凝土强度等级: 板采用C30,梁、柱采用C35。纵筋HRB335级,箍 筋HPB235级。地震分组为第1组,抗震设防烈度 【 _ I _ 图1结构平面布置图 Fig.1 Structural plan 为7度。转换层板厚180 mm,其余板厚均为120 mm。屋面恒载6.5 kN・m~,活载2.0 kN・m。。; 转换层楼面恒载6.0 kN・m~,活载2.0 kN・m~. 标准准层楼面恒载4.5 kN・m~,活载2.0 kN- m~。结构设计采用PKPM进行。 2抗连续倒塌性能分析方法 抗连续倒塌性能分析采用SAP2000进行,分析 模型如图2。取3种破坏工况:1)底层H轴交1轴 柱失效;2)底层D轴交1轴失效;3)底层D轴交2 轴失效。 图2结构三维模型 Fig.2 Structural 3D model 采用SAP2000,按备用荷载路径法进行抗连续 倒塌分析,分析步骤如下: 1)建立计算分析模型,按照前文确定的失效柱 位置,将假定发生局部破坏的单元“杀死”。 2)对剩余结构施加竖向荷载,在与破坏柱相邻 的上部开间施加2(L。+0.25L .)的竖向等效静力荷 载,在其余部位施加( 。+0.25L )的一般静力荷 载,其中:,J。表示恒载;£。.表示设计活荷载 J。 3)对结构进行一次加载,采用SAP2000集中塑 性铰 杆单元进行非线性静力分析,考虑P一△ 效应。 4)确定构件的弯矩值M是否超过受弯承载力 My,如果超过,则插入塑性铰。在梁的两端及中部 赋予M3铰,柱的两端赋予PMM铰,塑性铰的弯矩 第1期 熊进刚,等:带转换梁的高层建筑结构抗连续倒塌性能分析 ・35・ ~转角关系的骨架图如图3所示,塑性铰参数根据 FEMA356确定,图中B、C、D、E分别表示屈服点、峰 值点、残余承载力点及极限点。 图3塑性铰弯矩一转角曲线 Fig.3 Plastic hinge moment-rotation angle curve 5)重复2)一4)步骤,直到预定荷载。 6)判断构件是否破坏。当结构构件产生过度 的塑性变形而不适于继续承载时,构件被认为失效。 本文结合GSA 和UFCl1 抗连续倒塌设计准则,建 议非线性分析时钢筋混凝土结构构件的失效准则如 表1所列。 表1 非线・陛分析时钢筋混凝土结构构件的失效准则 Tab.1 Failure criteria of reinforced concrete structures in nonlinear analysis 7)将结构破坏范围与允许的破坏范围进行比 较,如果小于允许破坏范围,则结构具备抗连续倒塌 能力要求,反之就不具备抗连续倒塌能力要求。 参考美国GSA标准和UFC标准,本文建议结 构允许的倒塌范同如下: 1)对于外柱的破坏情况为直接位于破坏柱上 相邻开间、面积不超过75 m 的楼板及楼层面积的 15%中的较小者。 2)对于内柱的破坏情况为直接位于破坏柱上 相邻开间、面积不超过150 I/1 的楼板及楼层面积的 30%中的较小者。 3 分析结果 3.1框架底层H轴交1轴柱失效 当荷载加至上述设计荷载时,被“删除”单元上 部区域有多根梁进入塑性状态,结构变形及塑性铰 分布如图4所示,出于简便,图5、图6分别给出了H 轴和1轴框架的塑性铰分布。被“删除”单元上部 区域的构件的最大竖向位移为120.58 mlTl,包括转换 注:图中圆点表示担性铰 图4底层H轴与1轴交界处的柱失效后的 结构变形及塑性铰图 Fig.4 Deformation and plastic hinge after failure of the bottom column on H and 1 axis 注:图中圆点表示塑性铰 图5 H轴塑性铰最终分布 Fig.5 Final plastic hinge on H axis 注:图中倒点表不塑性铰 图6 1轴塑性铰最终分布 Fig.6 Final plastic hinge on 1 axis 梁在内有多根梁的塑性铰达到或接近图3曲线的C 点,且这些梁分布在3~6层,超过了上述破坏范围。 该结构体系在框架底层H轴交l轴柱失效情况下 ・36・ 南昌大学学报(工科版) 不具备抗连续倒塌能力。 3.2框架底层D轴交1轴柱失效 当荷载加至上述设计荷载时,被“删除”单元上 部区域有多根梁进入塑性状态,图7、图8给出了D 轴和1轴框架塑性铰的分布。被“删除”单元上部 区域的构件的最大竖向位移为82.87 mm,包括转换 梁在内有多根梁的塑性铰达到或接近图3中的C 点,且这些梁分布在3~11层,超过了上述破坏范 围。该结构体系在框架底层D轴交1轴柱失效情 况下不具备抗连续倒塌能力。 注:图中圆点表示塑性铰 图7 D轴塑性铰最终分布 Fig.7 Final plastic hinge on D aixs 注:图中圆点表不塑性饺 图8 1轴塑性铰最终分布 Fig.8 Final plastic hinge on 1 aixs 3.3框架底层D轴交2轴柱失效 当荷载加至上述设计荷载时,被“删除”单元上 部区域有多根梁进入塑性状态,图9、图1O给出了D 轴和2轴塑性铰的分布。被“删除”单元上部区域 的构件的最大竖向位移为68.17 mm,虽然“删除” 单元上部区域大部分梁进入了塑性,但仍未达到图 3中的C点,该结构暂时还可以维持整体稳定,这主 要是因为该失效柱之上的梁与梁之间互相提供了拉 结力,即发挥了梁的悬链线作用。该柱失效之后,很 多梁的跨度增加了一倍,有部分梁的塑性铰接近图 3中的C点。综合分析,该结构体系在框架底层D 轴交2轴柱失效情况下存在较大的发生连续倒塌的 可能 注:图中圆点表示塑性铰 图9 D轴塑性铰最终分布 Fig.9 Final plastic hinge on D aixs 注:图中圆点表不塑性铰 图1O 2轴塑性铰最终分布 Fig.10 Final plastic hinge on 2 aixs 4提高措施 上节分析了3种柱失效情况下结构的抗连续倒 塌能力,通过分析得出,角柱、边柱失效,结构局部均 不具备抗连续倒塌能力;内柱失效,结构发生连续倒 塌的可能性较大。针对上述情况,本节给出以下提 高措施。 第1期 熊进刚,等:带转换梁的高层建筑结构抗连续倒塌性能分析 ・37・ 4.1底层H轴交1轴柱失效情况下 为了不过多增加建设成本,在保证人员能从破 坏的建筑中得以逃生的前提下,允许结构部分构件 部荷载传递给两边柱。通过计算分析得知该方案不 可取。本文还探讨了其他几种设计方案,均不能得 到满意的结果。故对于此种失效情况,可按局部抵 进入塑性。本文建议在1轴、H轴增设HW200× 200宽翼缘H型钢斜拉杆,斜拉杆布置情况如图 11、图12所示,经分析计算得到,结构的最大竖向位 移为31.55 mm,斜拉杆最大拉力为1 105 kN,满足 型钢抗拉要求。图11、图12给出了H轴和1轴框 注:图中圆点表示塑性铰 图ll H轴塑性铰最终分布 Fig.11 Final plastic hinge on H aixs \ \ \ \ \ \ \ \ \ 注: 中倒点表不塑性铰 图12 1轴塑性铰最终分布 Fig.12 Final plastic hinge on 1 aixs 架塑性铰分布,只有少数梁出现塑性铰,且刚达到图 3中的 点,此时结构具备抗连续倒塌能力。 4.2底层D轴交1轴柱失效情况下 因底层D轴交1轴柱失效后,梁跨度由原来的 11 m变为现在的17 m,为了卸载此梁上的荷载,在 3层处设置多根拉杆,形成局部桁架结构体系,将上 抗特殊偶然荷载作用的方法来设计,即对底层D轴 交1轴柱,根据作用于其上的偶然荷载的类型及量 值,进行承载能力极限状态分析和设计。 4.3底层D轴交2轴柱失效情况下 因原3层D轴与2轴梁按普通梁设计,若底层 D轴与2轴交界处的柱失效,使普通梁跨度增加2 倍,此梁还要支承上部柱传来的荷载,所以结构发生 连续倒塌的风险大大增强。本文建议加强此梁设 计,将此梁设计成1 200 mm×600 mm转换梁,配筋 为面筋16 ̄25,底筋为12 ̄)25,同时将4轴交D轴柱 设计成700 mm x 700 mm,经分析可知此时结构具 备抗连续倒塌能力。 可见,在此类带转换梁的高层建筑中,可采取如 下一些设计概念或方法提高其抗连续倒塌能力:在 满足建筑要求的前提下,尽量减小柱距和梁的跨度, 采用连续板梁结构,提高梁的跨越能力;适当增加承 重构件数量,把重力荷载分散到多个承重构件上。 对于关键构件,可以按增大荷载的方法进行设计,保 证关键构件具有足够的强度。 5 结语 对本文典型算例所涉及的带转换梁的高层结构 而言,支承转换梁的角柱或支承转换梁的边柱一旦 失效,结构就会发生连续倒塌,也即结构此时不具备 抗连续倒塌能力,结构应该重新进行设计。支承转 换梁的内柱失效时,由于梁的悬链线作用,结构未发 生连续性破坏,但有多根梁进入了塑性状态,所以结 构发生连续倒塌的风险还是很高的。针对上述3种 连续倒塌破坏,提出了不同的应对措施,提高了其抗 连续倒塌能力。 对带转换梁的高层结构,底部柱支承着转换大 梁,对建筑结构的安全至关重要,在突发事件时底部 柱的失效将会引起结构连续倒塌,因此,应重视其抗 连续倒塌性能的研究,尽快建立适合我国情况的评 价体系和设计方法。 参考文献: [1]HAYES Jr,JOHN R,WOODSON S C,et a1.Can strength・ ening for earthquake improve blast and progressive col— lapse resistance9[J].J.ournal of Structural Engineering, 2005,131(8):1157—1177. (下转第92页) ・92・ 南昌大学学报(工科版) 2011钲 0 , v ∈R ,v ∈A。 使得V n∈N, 0 0 A v ematical Analysis and Applications,2006,321:675— 690. 证明 必要性。设 ∈T( )(A, 0),由定理2.1 得h(v)∈T(h(A),h(x。)),由引理1.1得 A 一 0 , w ∈R ,w 一h( ),使得V n∈N,有 h( o)+A w ∈h(A) h( )一h( ),因此 一v,再由(4)得 h( 。)+A h( )∈h(A) 于是 h (h(x0)+A.h( ))∈A 即 0 [4]Yu Guolin,LIU Sanyang.Optimality for(h, )一mul- tiobjective programming involving generalized type—I functions[J].Journal of Global Optimization,2008,41: 147—161. (4) [5] 张庆祥.非光滑(h, )一半无限规划解的充分性和对 偶性[J].应用数学学报,2001,24(1):129—138. 令 =h。(w ),则w =h( ),由w 一h( )得 [6] 徐义,刘三阳.(h, )一不变广义凸函数的若干性质与 (h, )一不变广义凸多目标规划的最优性及对偶性 [J].应用数学学报,2003,26(4):726—736. [7] Ben—Tal A.On generalized means and generalized convex functions[J].Journal of Optimization Theory and Appli・ 0 A ∈A cations,1977,21:1—13. 类似可证明充分性。 [8] 徐义红,刘三阳.(h, )一Lipschitz函数及其广义方向 导数和广义梯度[J].数学物理学报,2006,26(2):212 —参考文献: [1] 盛宝怀,李银兴,刘三阳.(h,妒)一广义切导数与最优 性条件[J].应用数学学报,2007,30(4):592—603. [2]XU Yihong,LIU Sanyang.Kuhn—Tucker necessary condi— tions for(h, )一muhiobjective optimization problems 222. [9]XU Yihong,LIU Sanyang.Necessary conditions ofr(h,妒) 一Mathematical Programming[J].OR Transactions, 2002,6(4):21—30. [10]徐义红.(h, )一凸函数的广义方向导数及其性质 [J].南昌大学学报:工科版,2002,24(4):82—84. [11]AUBIN J P,Frankouska H_Set—valued analysis[M]. Birdhauser,1990. [J].Journal of Systems Science and Complexity,2004,17 (4):472—484. [3] YUAN Dehui,ALTANNAR Chinchuluun,LIU Xiaoling,et a1.Pardalos.Generalized convexities and generalized gra- [12]CLARKE F H.Nonsmooth Analysis and Optimization [M].John Wiley,1983. dients based on algebraic operations[J].Journal of Math— (上接第37页) [2]SASANI M,BAZAN M,SAGIROGLU S.Experimentla and analytical progressive collapse evaluation of actual rein— [7] 易伟建,何庆锋,肖岩.钢筋混凝土框架结构抗倒塌性 能的试验研究[J].建筑结构学报,2007(5):104— 109. forced concrete structure[J].ACI Structural Journal, 2007,104(6):731—739. [8] 胡庆昌.结构的坚固性及钢筋混凝土房屋防连续倒塌 设计概念[J].建筑结构,2008(1):1—3. [9] 江晓峰,陈以一.建筑结构连续性倒塌及其控制设计 [3] SEFFEN K A.Proressgive collapse of the World Trade Center:simple analysis[J].Journal of Engineering Me- chanics,2oo8,134(2):125—132. 的研究现状[J].土木工程学报,2008(6):1—8. [10]叶列平,陆新征.混凝土框架结构的抗连续性倒塌设 计方法[J].建筑结构,2010(2):1—7. [4] BAO Yihai,KUNNATH S K,E1TAWIL S,et a1.Macro・ model-based simulation of progressive collapse:RC flame structures[J].Journal of Structural Engineering,2008, 134(7):1079—1091. [11]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京: 中国建筑工业出版社,2004. [5] General Services Administration.Progressive collapse a— nalysis and design guidelines for new federal office build— [12]沙广臻,何若全.SAP2000在静力弹塑性分析时塑性铰 的修改[J].苏州科技学院学报:工程技术版,2007 (3):1—4. ings and major modernization projects[S].Washington D C,2003. [13]Uniifed Facilities Criteria.Desin ofg structures to resist [6]王开强,李国强.美国建筑连续性倒塌设计标准的现 状[J].解放军理工大学学报:自然科学版,2007(5): 4】4—42】. progressive collapse[s].US Department of Defenee, 2005.