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结构的连续倒塌是指意外事件(爆炸、碰撞、冲击或火灾等)下结构初始局部承重构件(柱或承重墙)失效,引起结构整体刚度分布发生突变,从而发生与初始局部破坏不成比例的连续倒塌破坏。自“911”世贸大楼连续倒塌事件以来,建筑结构的抗连续倒塌事关生命财产和社会安全,该方面的课题引起了广泛关注,近年来对此进行了大量的试验研究以及数值和理论分析。但以往的试验研究以及数值和理论分析大多主要集中于侧向约束的RC框架梁柱子结构或二维平面框架来研究诸如压拱效应、悬链线效应等抵御倒塌机制,而对结构的三维连续倒塌研究尤其是高层结构的抗连续倒塌机制与抗力分析研究较少,且没有对不同抗震设防烈度设计的三维RC框架结构在局部发生初始破坏后的连续倒塌抗力分布规律进行全面综合的研究。本文运用ABAQUS通用有限元软件建立了一个10层4×3跨的三维RC框架结构模型,数值试验研究了此三维RC框架结构的抗连续倒塌性能。本文主要工作如下:
(1)运用ABAQUS通用有限元软件建立了一个10层4×3跨的三维RC框架结构模型,通过修改配筋面积和箍筋间距对该模型进行了6度、7度和8度抗震设计,并对模型进行了静力分析,验证了本文模型受力的合理性。
(2)本文选取了6度抗震设防设计的RC框架结构模型,运用非线性动力拆除构件设计法,分析了该模型在底层的四个典型部位柱(角柱、长边中柱、短边中柱和内部柱)拆除工况下的失效结点位移和梁端内力,并在分析结果的基础上总结了三维RC框架结构的抗连续倒塌机制;然后采用该法分别对7度和8度抗震设计的带楼板三维RC框架结构拆除底层四个典型部位柱,研究其抗连续倒塌性能。为了便于分析和对比,在拆柱前先对完整结构进行变形及应力分析,再对7度和8度抗震设计的RC框架结构在x、y、z三个方向的变形图以及混凝土三个方向的主应力云图和钢筋的拉压应力云图进行对比分析,以研究不同抗震设防烈度下RC框架结构的抗连续倒塌能力。
(3)运用非线性静力Pushdown分析法对6度、7度和8度抗震设计的RC框架结构模型在局部发生初始破坏后的连续倒塌抗力分布规律进行了研究。通过在失效柱所支撑的结构区域上施加逐步增大的竖向荷载,直到结构发生倒塌为止,以此获得竖向位移和抗力之间的关系来研究该工况下结构的最大抗力。
通过对以上工作的研究,本文获得以下主要结论:
(1)角柱失效时,双向梁只能在小变形阶段以梁机制提供倒塌抗力;边缘柱失效时,在小变形阶段,双向梁以梁机制提供倒塌抗力,在大变形阶段,只有边缘贯通失效结点的梁能够以悬链线机制提供倒塌抗力;内部柱失效时,贯通失效结点的双向梁均可以通过梁机制或悬链线机制提供倒塌抗力。
(2)8度抗震设防烈度对底层的相对抗力影响显著,而对顶层的相对抗力影响不明显,这说明高抗震设防烈度下,通过增大配筋面积对于提高RC框架结构的抗连续倒塌能力影响显著。
(3)角柱对结构的影响最大,角柱和长边中柱拆除后,结构均发生显著倒塌破坏,而短边中柱和内部柱拆除后结构尚未发生倒塌破坏。根据四种情况的分析,混凝土柱轴向拉应力总是出现在所拆除柱上端柱的底端。对于本文结构模型,有必要提高第二层柱底端的配筋率。
(1)运用ABAQUS通用有限元软件建立了一个10层4×3跨的三维RC框架结构模型,通过修改配筋面积和箍筋间距对该模型进行了6度、7度和8度抗震设计,并对模型进行了静力分析,验证了本文模型受力的合理性。
(2)本文选取了6度抗震设防设计的RC框架结构模型,运用非线性动力拆除构件设计法,分析了该模型在底层的四个典型部位柱(角柱、长边中柱、短边中柱和内部柱)拆除工况下的失效结点位移和梁端内力,并在分析结果的基础上总结了三维RC框架结构的抗连续倒塌机制;然后采用该法分别对7度和8度抗震设计的带楼板三维RC框架结构拆除底层四个典型部位柱,研究其抗连续倒塌性能。为了便于分析和对比,在拆柱前先对完整结构进行变形及应力分析,再对7度和8度抗震设计的RC框架结构在x、y、z三个方向的变形图以及混凝土三个方向的主应力云图和钢筋的拉压应力云图进行对比分析,以研究不同抗震设防烈度下RC框架结构的抗连续倒塌能力。
(3)运用非线性静力Pushdown分析法对6度、7度和8度抗震设计的RC框架结构模型在局部发生初始破坏后的连续倒塌抗力分布规律进行了研究。通过在失效柱所支撑的结构区域上施加逐步增大的竖向荷载,直到结构发生倒塌为止,以此获得竖向位移和抗力之间的关系来研究该工况下结构的最大抗力。
通过对以上工作的研究,本文获得以下主要结论:
(1)角柱失效时,双向梁只能在小变形阶段以梁机制提供倒塌抗力;边缘柱失效时,在小变形阶段,双向梁以梁机制提供倒塌抗力,在大变形阶段,只有边缘贯通失效结点的梁能够以悬链线机制提供倒塌抗力;内部柱失效时,贯通失效结点的双向梁均可以通过梁机制或悬链线机制提供倒塌抗力。
(2)8度抗震设防烈度对底层的相对抗力影响显著,而对顶层的相对抗力影响不明显,这说明高抗震设防烈度下,通过增大配筋面积对于提高RC框架结构的抗连续倒塌能力影响显著。
(3)角柱对结构的影响最大,角柱和长边中柱拆除后,结构均发生显著倒塌破坏,而短边中柱和内部柱拆除后结构尚未发生倒塌破坏。根据四种情况的分析,混凝土柱轴向拉应力总是出现在所拆除柱上端柱的底端。对于本文结构模型,有必要提高第二层柱底端的配筋率。