高层钢结构立体停车库的连续倒塌动力效应分析

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高层钢结构立体停车库是目前解决城市停车困难的主要方法之一,其具有整体立面美观,占地面积较小,存储量大以及结构性能稳定安全等优势。高层钢结构立体停车库主要由外框架,停车架或载车板以及提升设备等组成,整体结构较为精细,智能化程度较高。由于使用功能的要求,立体车库的主要的承重部分为没有楼板的钢框架结构,因而其侧向刚度较小且梁柱容易发生失稳破坏。另外,因为立体停车库结构一般建造在城市商业中心或者繁华区域,所以其底层某一承重柱的失效可能会引起较大的人员伤亡以及经济损失。因而对于高层钢结构立体停车库的研究也就显得较为重要。高层钢结构立体停车库的主要荷载来源于结构的自重和车辆荷载,其中车辆荷载作为活荷载其布置的位置和数量的随机性较大,因而在研究其连续倒塌动力效应时,车辆布置工况是不可忽视的一环。在本文中,应用正交试验表从上千种车辆布置工况中选择了两百多种代表性工况作为其研究的主要工况。对结构进行连续倒塌分析时,采用了考虑结构初始变形的瞬时抽柱法,底层柱的失效时间根据相关文献取为剩余结构自振周期的0.1倍;结构的失效准则采用机构准则和美国GSA设计准则的相关规定来分别判定结构是否转变为瞬变体系和构件是否失效。另外,在分析过程中采用了非线性动力分析方法,考虑了结构动力效应和材料的非线性以及应变率效应。本文在研究高层钢结构立体停车库的连续倒塌动力效应时,选用了三种代表性车辆布置工况即GSA2003中规定的荷载组合、结构中布满车辆和只在结构失效柱一侧布满车辆,同时考虑了4种不同的底层柱失效方式。通过对在不同的车辆布置工况和底层柱失效方式下剩余结构的动力效应的研究发现,剩余结构在失效柱所在跨内的横梁和节点域腹板处容易屈服形成塑性区域,对于不同的底层柱失效方式其剩余结构的抗倒塌能力不同,相应的荷载动力放大系数也不同。由立体停车结构的倒塌模式可知,可以通过提高立体车库底层柱的承载力来提高其抗连续倒塌性能,因而本文分别对10,14和18层立体停车库剩余结构底层柱的竖向轴力放大系数进行了相应的研究并得到底层各根柱的竖向轴力放大系数的最大值。当立体车库的层数介于10和14或者14和18之间时,可通过线性插值近似得到其底层柱竖向轴力放大系数的最大值。在进行立体停车库设计时可以把底层柱的原竖向轴力设计值与放大系数的乘积作为新的竖向轴力设计值,以此提高立体停车库的抗连续倒塌性能。
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