不等跨顶底角钢腹板双角钢连接组合梁柱子结构抗倒塌性能提升方法研究

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意外荷载作用下,建筑结构的局部破坏可能引发连续性倒塌,由于极端事件发生的可能性及其规模很难预测,在针对常规荷载的传统设计下,若没有有效的备用路径,结构发生连续性倒塌是不可避免的,因此对结构抗倒塌性能进行评估后,探究提升其倒塌抗力的设计方法必不可少。当前关于结构抗连续的冗余设计对策主要集中在等跨结构,梁构件的不对称性往往对结构抗连续倒塌性能有重要影响,因此有必要针对不等跨组合梁框架结构的抗倒塌响应提出合理且高效的性能提升设计方法。基于备用荷载路径法,对不等跨度(1:1.4)顶底角钢腹板双角钢连接组合梁柱子结构进行单调静力加载试验,重点分析子结构破坏模式、应变、抗力机制发展及整体效能发挥,试验结果表明:由于顶底角钢腹板双角钢连接转动变形能力较大,组合梁截面由于混凝土部分的率先失效而失去组合特性;试件的抗力机制发展过程依次为梁机制阶段(包括压拱机制)、梁机制和悬索机制混合阶段以及悬索机制阶段;跨度的不对称性导致了双跨梁变形发展不协调,子结构整体效能发挥仅为其效能储备的83%。利用ABAQUS有限元分析软件建立了不等跨顶底角钢腹板双角钢连接组合梁柱子结构精细化模型并与试验结果相互验证,模拟所得的结果与试验结果吻合较好,用相同的建模方法建立了子结构对应的足尺模型。通过对双跨梁高跨比参数进行分析,明确双跨梁不对称性对子结构整体效能发挥的影响,结果表明,双跨梁高跨比一致时,双跨梁协同变形能力较好,梁机制与悬索机制发挥高效,双跨梁可协同工作使子结构具备良好的抗倒塌性能,不等跨子结构可提供与等跨子结构相近的抗倒塌效能,相差幅度在6%以内;双跨梁高跨比不同时,由于双跨梁变形发展不同步,子结构效能储备不能充分发挥。结合双跨梁高跨比不同时子结构效能变化规律,可通过两种变形协调思路提升不对称子结构抗倒塌效能,一种为增加高跨比较大跨变形能力与高跨比较小跨变形相协调,其通过增加子结构整体变形能力使悬索机制进一步发挥,进而提升抗倒塌效能,另一种为削弱高跨比较小跨变形能力与高跨比较大跨变形相协调,增加高跨比较小跨抗力,以强化梁机制提升子结构抗倒塌效能。基于组件法原理对顶底角钢腹板双角钢连接子结构中角钢变形行为简化分析,结合角钢T型件承载力-变形计算方法,两种变形协调形式可通过改变角钢相关参数实现,并给出了详细的参数计算流程。经有限元分析可知,经方法(1)设计后子结构梁机制与悬索机制均得到不同幅度提升,方法(2)主要强化了梁机制,两种设计方法均可提升不对称子结构抗倒塌效能,设计状态基本达到双跨梁协同工作的理想状态,随双跨梁对称比例减小,两种设计方法对子结构效能提升幅度相应增加,设计后子结构有效克服了双跨梁不对称性对子结构效能发挥的不利影响。
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