钢筋混凝土框架结构抗倒塌性能试验研究

各震絷的钢筋达到冀瘸般点的先舞簸穿，黧达弱嚣点(对巍中拄卸载位移镑为25ram)后+磊层梁的钢筋大多已进入屈服状态，并伴随受压混凝土的局部破坏。嚣C段鸯受压混凝±的破坏阶段，扶B点开始，受篷游凝主局部压碎，程e蠢《对瘟中獯辩载位移绞淹140nnn)附近，塑性铰区域受压混凝士严重剥落。按照混凝士结构设计理论，C点应该对应受压混凝土的极限压璁变。e点以屠，梁端受弯承载熊_走基本丧失，结秘受力转诧为悬索撬麓，主要鸯镑篱采直接传递芬虢。如果没有悬索机制，可以设想图2中的曲线在C点以后应转为水平或上升，即梁的抗弯承载能力在c点众部耗尽。达到倒塌极限状态D点时，第一层框架梁辍透孛棱臻(藿l串◇·◇跨靠近@辘潞)的赢垂镪黪被拉断(见图3)，下端传感器的力从6kN上升为DkN。说明樵架梁的全部承载能力已经耗尽。此时，中柱卸载位移达戮456mm(图4)，钢麓拉断蓠．下端传感器所测力廷露6kN，鹭寿103kN嚣主端薄载惑爨索箨矮传递。匿3数裂镪筋照冀Fig,3De_|ailsketchofrapt“rerbar万方数据由所测的钢筋应变分析可知，达到倒塌极限状态时，原来受压的钢筋已转变为受拉，但末达到受拉屈服。图4模型框架倒塌极限状态Fig．4Conapselimitsateofmodelframe2．2框架柱水平位移第1层框架柱顶水平位移岛与中柱卸载位移△之问的关系如图5所示，其中水平位移为负值表示向框架外侧移，正值表示向框槊内侧移。从图巾可以看到．随着中桂卸载位移的增加，第1层框架柱顶向外侧移，最大位移量约为3ram。在这一阶段，粱在中柱近端承受正弯矩，截面开裂后中性轴上移，而在中柱远端承受负弯矩，中性轴向下移动。在中柱两侧的框架梁两端，截面转动中心不在同一水平面上，框架梁内产生轴向压力，这就是所谓“推力作用”或“拱作用”。中柱卸载位移达到140ram左右，框架梁跨中塑眭铰转动中心位于其支座塑性铰转动中心以下时，框架柱开始向内重动，框架梁内产生轴向拉力。由“拱作用”转化为“悬索作用”。在这一过程中．中柱卸载位移42mm时底层框架柱外侧上端观察到横向裂缝，中柱卸载位移360ram时底层框架柱外侧下端观察到横向裂缝。底层柱的同一侧面从柱上端开裂到柱F端开裂，也说明了框架水平位移的方向发生了变化。2．3第1层框架柱底混凝土表面应变第1层框架拄底混凝土表面应变B与中柱卸载位移4之间的关系如图6所示。从图中可以看出，中柱位移140mm左有时，底层框架柱脚的外侧混凝土压应变达局部最大值，随后应变开始减小。位移270mm左右时+柱的表面应变发生突变，柱外侧应变趋近于零，而柱内侧压应变迅速增大。由上可知，柱下端的混凝土应变变化情况与框架1层柱顶水平位移变化情况是一致的。即中柱卸载位移达140ram时，框架水平位移由向外转为向内。在弯矩与轴力的共同作用下，导致柱下端外侧受拉内侧受压，直到柱下端外侧出现横向裂缝后，发生内力重分布。受拉一侧的电阻应变计不在裂缝位置，量测的混凝土拉应变趋近于零，而受压一侧的混凝土应变迅速增大。图6框架柱下端混凝土应变与中柱卸载位移的关系Fig6Relalions[fipkw删cR把sh—natthelowernd0framecd—md’erticaldisplat：一t,t0fmiddlecnlunm2．4裂缝开展情况中间跨框架梁在中柱卸载位移4mm时开始出现裂缝。中柱卸载位移30ram时开始出现斜裂缝，弯曲裂缝也开始倾斜发展。中柱卸载位移达到90ram时．底层框架柱上端出现水平裂缝，中间跨框架粱受压区混凝土明显被压碎，梁端受弯承载能力图5框架1层柱水平位移盈与中柱卸载位移d的关系开始下降。中柱卸载位移270mm时，框架柱下端Fiz．5Relafiomhipbetweenhorizontaldisplacement出现水平裂缝。中柱卸载位移达到330ram时，边ando,*atwarddisplacementofnfiddieeohnm跨框架粱开始出现裂缝。中柱卸载位移360mm107万方数据时，框架边柱也开始出现裂缝。中柱卸载位移到达370ram时，梁柱节点处出现裂缝。3框架受力过程分析试验框架计算简图如图7所示，F为上部结构传来的重力荷载，N为失效柱轴力。从图2所示竖向位移曲线和结构的工作阶段，可以近似地按3个阶段进行内力分析，即弹性阶段、塑性阶段和悬索阶段。Ⅳ力图7试验框架计算简图Fig．7Schematiccalculationdiagramofteatframe3．1弹性阶段框架中柱上端荷载P⋯FNlkN时框架的弯矩图和轴力图如图8和图9所示。由计算结果可知，框架梁两端的弯矩相差不大，各层梁的弯矩也相差不大。但由轴力图可知，中柱两侧1层框架梁中产生轴向拉‘兰k、r√／—oi．1999＼是114、r／1／一005』一77．1121．I＼l／22924398图8试验框架弹性弯矩图(单位：N·illm)Fig．8Elasticmomentdiagram(unit：N·tuna)IS．17842-680[I-3581书sI119扩纠108图9试验框架轴力图(单位：N)Fig．9Ax“forcedi8鲫(unit：N)力，顶层框架粱中产生轴向压力。说明底层中柱失效后，结构具有整体受力的特点，整体受力传递的弯矩与梁端局部弯矩大体为同一量级。计算分析还表明，1层框架边粱柱节点横向位移为向外0．006ram．与图5所示试验结果一致。3．2塑性阶段框架梁梁端逐渐形成塑性铰，当整个梁截面进人完全塑性状态时，抵抗弯矩达到极限值坂，此时该截面形成一个塑性铰并保持帆常数值条件下发生转动。当框架中间两跨的所有梁端弯矩均形成塑性铰后，结构转变为几何可变机构。采用结构塑性分析的方法，不难求得极限荷载值为eu=3×4％儿(1)式中，Mp为截面的塑性弯矩，根据截面参数，可以求得Mp=15．05kN·fill。￡为框架梁的净跨，取为2．467m。将上述数值代入式(1)，得到只=73．2kN。3．3悬索阶段形成塑性机构后，框架梁端受压区混凝土达到极限压应变，受压区的混凝土逐渐退出工作，框架粱在外荷载的作用下进入悬索作用阶段。在此阶段，除受拉屈服的钢筋继续拉伸并进入强化外，原来受压的钢筋也随着位移的加大转为受拉。作为简化分析，只考虑受拉钢筋的悬索作用。根据图10所示的静力平衡条件，可求得倒塌极限状态下试验框架集中荷载P。。与截面轴力的关系尸。№=3x2驴Tsind(2)式中，r为单层框架梁截面受拉钢筋达到其抗拉强度时的总拉力，d为框架梁的转角。廿为钢筋应力不均匀调整系数，达到倒塌极限状态时，3层框架梁中只有底层框架梁的钢筋达到其抗拉强度，取廿=0．85。根据试验实测的中柱挠度，得到fit=10+3。。根据受拉钢筋面积和抗拉强度，计算得到P。。=108．4kN。试验中，上部施加的荷载为109．1kN，结构自重为7．5kN，考虑悬索作用的极限承载能力与这两部分之和的差值∑半图lO悬索作用计算简图Fig．10Calculationmodelofeatenaryaction，舛医谛万方数据为8．2kN，表明中柱失效后，结构最终将进人倒塌极限状态。钢筋拉断时，实测的下端传感器的轴压力为5．6kN，与上述估算值基本一致。按照本文的试验和计算结果，塑性机构破坏荷载大约为悬索机构破坏荷载的70％。框架结构的抗倒塌承载能力，可以偏于安全地用塑性机构破坏荷载估计。实际上，对于钢筋混凝土框架结构，可以通过已知的截面受弯承载力建立受弯和受拉承载力的关系，再由简单的推算得到悬索机构破坏荷载。4讨论根据试验和计算结果，可以判断，原型8层框架结构在中柱失效后不会发生连续倒塌破坏。因为在式(1)和(2)中，只考虑了3层框架梁的极限承载能力。对于原型结构，各层荷载通过各层梁传递到相邻的柱，悬索作用具有足够的承载能力。试验和分析结果表明，悬索作用与钢筋的均匀拉伸有关。在钢筋拉断的截面，钢筋的延伸率达到20％以上，如果能够采取技术措施使钢筋的拉伸更加均匀，加大变形能力，式(2)中的a和咖都将增大，悬索作用极限承载能力进一步加大。从实测的l层框架柱顶水平位移和内力分析结果可知，底层柱失效后，框架梁中的轴向力经历了从压到拉的转换。对于中间两跨底层框架粱，弹性分析得到轴向拉力，混凝土开裂后，也转换为轴向压力。进入悬索阶段，粱的轴向力都转换为拉力。此外。截面受拉钢筋屈服后，开始塑性转动，直到受压混凝土达到极限压应变，截面传递的弯矩才逐渐减小。本文的简化分析没有细致地考虑这些因素和受力全过程。本文的框架倒塌试验在完全静力条件下进行。实际结构在遭遇偶然荷载时，结构倒塌破坏具有明显的动力特征。这些动力特征主要表现在中柱失效时间与重力加速度效应的关系以及材料的动力硬化。从图7看，当柱突然失效时，荷载效应的动力特征相当于中柱轴力Ⅳ动态的消失，消失时间取决于偶然荷载的特征。材料的动力本构关系也与应变速率有关。因此，动态的结构倒塌试验应在确定了偶然荷载的时间特征后进行。本文的静力试验主要定性在探讨结构受力机制的转换以及倒塌过程中一些静力参数的获取，如刚度变化情况，框架的耗能情况，位移变化情况，破坏模式以及极限承载能力与最大变形(最大转角)的获取等，为下一步的倒塌试验设计以及考虑动力效应的倒塌模拟与分析提供条件与基础数据支持。5结论通过试验研究，可以得到下列结论：(1)本文采用分级卸载的方式模拟钢筋混凝土框架底层柱的失效过程，揭示了框架结构的倒塌破坏过程和受力特点，并获取了试验框架倒塌全过程的刚度变化信息。试验结果表明：为获取框架结构在倒塌全过程中的一些静力参数，本文提出的拟静力试验方法是可行的，也为考虑动力效应的倒塌过程模拟与分析提供了条件。(2)钢筋混凝土框架结构倒塌过程中，经历弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段和悬索破坏阶段。试验中，通过框架柱的水平位移和框架柱的混凝土应变测试，说明了框架结构由受弯为主的塑性机构到受拉为主的悬索机构的转换过程。(3)给出了框架结构倒塌破坏的简要塑性分析方法。塑性机构形成后，悬索机构还具有一定的承载能力。采用塑性机构破坏荷载估计钢筋混凝土框架抗倒塌能力是偏于安全的。(4)钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏最终由框架梁的钢筋拉断所控制。如果能够使受拉钢筋的应变分布更加均匀，结构的变形能力还可加大，使悬索机构的承载能力进一步提高。参考文献[1]陈肇元．要大幅度提高建筑结构设计的安全度[J]．建筑结构，1999。(1)：3-6．[2]Starosseku，WolffM．Designofcollapse-resistantstructures[B／OL]．UK：RobustnessofSuuctures．WorkshopOrganizedbyJSCCand1ABSEWCl，2005[2006-09-20]．http：／／www．jcss．ethz．ch／events／WS一2005—1l／AlⅪtracta／Sbr088ek_Paper，pal．[3]Office甜theDeputyPrimeMinisl￡r(ODPM)．Thebuildingregulations2000(Structure)[G]．2004dition．LondonEC2P2EA：NBS，PartofRIBAEnterprisesLtd．2006：39-43．[4]GSA(2003)l峨ivecolapseanalysisandesignguidelinesfornewfederalofficebuildingsandmajormodernizationP叫ects[S]．(下转第117页)109万方数据京：清华大学出版社。1992．[18]曾志兴．钢纤维轻骨料混凝土力学性能的试验研究及损伤断裂分析[D]．天津：天津大学，2002．[19]李平江，刘巽伯．高强页岩陶粒混凝土的基本力学性能【J]．建筑材料学报，2004，7(1)：113．116．[20]GB50010--2002混凝土结构设计规范[S]．[21]ACICommittee544．Measurementofproperties0ffiberreinforcedconcrete[J]．ACIMaterialsJournal．1988，85(6)：583-593．[22]JohnstonCD．Definitionandmeasurementofflexural10ughnessparametersforfiberreinforcedconcrete[J]．Cement，ConcreteandAggrgates，1982，4(2)：53—60．[23]ASTMC1018Standardtestmethodfortlexuraltoughnessmadfirstcrackstrength0f陆rebfforcodconclm[S]．ASTMStandardsforConcreteandMineralAggregates，V04．02。StandardDesignationC1018．1989．[24]Itl·SF4Methodoftestforflexuralstrengthandflexuraltoughncasoffiberminforeedconc,rcte(Standardst4)[S]．JCIStandardsforTestMe吐lodgofFiberReinforcedConci皓te，JapanConcretelmtitute，1983：45-51．(上接第109页)[5]UFC4-010-0lDoDminimLLnIanfiterrorismstandardsforbuilding(2002)[S]．Departmentofn妇(DoD)，UnitedFacilitiesCriteria(UFC)．[6]ASCE7-02Minimumdesi印loadsforbuildingsmadotherstructures[s]．2002Edition．[7]Guow帆jm，RanmnGilsanz．Nonlinearstaficanly自ispIocedIlre—PIo夸e曙iveeolht№evaluation[R]．m越印E,咖ersofGilsamMurraySteficek，l皿．，2003：1-11，[8]KaewkulchaiG，WilliamsonEB．Dynamicbehaviorofplanarflamesduringprogressivecollapse[C]／／proceedingsofth16thASCEEn#neerlngMechanicsConference，Seatde：WashingtonUniversity。2003．[9]PearsonlC，DelatteN．Ronanpointapartmenttoweronapseanditseffectoffbuildingcodes[J]．JournalPerformanceofConstructedFacilities，ASCE，2005，19(2)：172·177．[10]AbolhassanAstaneh—Asl，ErikAMadsen，CharlesNoble，eta1．Useofatenarycablestopreventprogressivecollapseofbuildinga[R／OL]．2002[2006．．09-20]．http：／／www．∞berkeley．edu／一astaneh／l-Research／blast／[1]CorleyWG．Applicabilityofseismicdesigninmitigatingprogressivecollapse[R／OL]．[20064)9-20]．htlp：∥ww．nibs．org／MMC／[12]GB50010--2002混凝土结掏设计规范[S]．117万方数据钢筋混凝土框架结构抗倒塌性能的试验研究作者：易伟建，何庆锋，肖岩，YIWeijian，HEQingfeng，XIAOYan作者单位：湖南大学,土木工程学院,湖南长沙,410082刊名：建筑结构学报英文刊名：JOURNALOFBUILDINGSTRUCTURES年，卷(期)：2007,28(5)被引用次数：14次参考文献(12条)1.StarossekU;WolffMDesignofcollapse-resistantstructures20062.GB50010-2002.混凝土结构设计规范3.CorleyWGApplicabilityofseismicdesigninmitigatingprogressivecollapse20064.AbolhassanAstaneh-Asl;ErikAMadsen;CharlesNobleUseofcatenarycablestopreventprogressivecollapseofbuildings20065.陈肇元要大幅度提高建筑结构设计的安全度1999(01)6.PearsonlC;DelatteNRonanpointapartmenttowercollapseanditseffectonbuildingcodes[外文期刊]2005(02)7.KaewkulchaiG;WilliamsonEBDynamicbehaviorofplanarframesduringprogressivecollapse20038.GuoWenjua;RamonGilsanzNonlinearstaticanalysisprocedure-Progressivecollapseevaluation20039.ASCE7-02.Minimumdesignloadsforbuildingsandotherstructures200210.UFC4-010-01.DoDminimumantiterrorismstandardsforbuilding(2002)11.GSA2003.Progressivecollapseanalysisanddesignguidelinesfornewfederalofficebuildingsandmajormodernizationprojects12.OfficeoftheDeputyPrimeMinisterThebuildingregulations2000(Structure)2006本文读者也读过(10条)1.钢筋混凝土建筑抗倒塌设计[期刊]-地震工程与工程振动2005,25(5)2.张凡榛.易伟建无梁楼板的抗倒塌性能试验研究及分析[期刊论文]-湖南大学学报（自然科学版）2010,37(4)3.江晓峰.陈以一.JiangXiaofeng.ChenYiyi建筑结构连续性倒塌及其控制设计的研究现状[期刊论文]-土木工程学报2008,41(6)4.梁益.陆新征.李易.叶列平.江见鲸.LIANGYi.LUXin-zheng.LIYi.YELie-ping.HANGJian-jing3层RC框架的抗连续倒塌设计[期刊论文]-解放军理工大学学报（自然科学版）2007,8(6)5.张素芬钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌分析[学位论文]20086.王英.林峰.顾祥林.WANGYing.LINFeng.GUXianglin结构抗连续倒塌设计方法评述[期刊论文]-结构工程师2009,25(5)7.谢甫哲.舒赣平.凤俊敏.XieFuzhe.ShuGanping.FengJunmin基于抽柱法的钢框架连续倒塌分析[期刊论文]-东南大学学报（自然科学版）2010,40(1)8.赵新源.林峰.顾祥林.王英.ZHAOXinyuan.LINFeng.GUXianglin.WANGYing局部爆炸作用下混凝土框架结构抗连续倒塌设计[期刊论文]-结构工程师2009,25(6)9.张元鹏多层钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌性能评估[学位论文]200910.师燕超.李忠献.郝洪.SHIYan-chao.LIZhong-xian.HAOHong爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架结构的连续倒塌分析[期刊论文]-解放军理工大学学报（自然科学版）2007,8(6)引证文献(14条)1.李易.陆新征.叶列平.陈适才基于Pushdown分析的RC框架抗连续倒塌承载力研究[期刊论文]-沈阳建筑大学学报（自然科学版）2011(1)2.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[期刊论文]-南昌大学学报(工科版)2011(1)3.李易.陆新征.叶列平.陈适才钢筋混凝土框架抗连续倒塌机制研究[期刊论文]-建筑科学2011(5)4.郭兰慧.高山.张素梅.刘龙飞半刚性连接钢框架关键柱破坏后动力响应分析[期刊论文]-建筑钢结构进展2011(6)5.孙国峰建筑结构抗爆研究综述[期刊论文]-山西建筑2011(24)6.于航.查晓雄钢管混凝土结构抗连续性倒塌性能研究[期刊论文]-工业建筑2011(6)7.蔡建国.王蜂岚.冯健.韩运龙建筑结构连续倒塌概念设计[期刊论文]-工业建筑2011(2)8.李易.叶列平.陆新征基于能量方法的RC框架结构连续倒塌抗力需求分析Ⅰ：梁机制[期刊论文]-建筑结构学报2011(11)9.李易.陆新征.叶列平基于能量方法的RC框架结构连续倒塌抗力需求分析Ⅱ：悬链线机制[期刊论文]-建筑结构学报2011(11)10.梁益.陆新征.李易.叶列平.江见鲸楼板对结构抗连续倒塌能力的影响[期刊论文]-四川建筑科学研究2010(2)11.张富文.吕西林钢筋混凝土平面框架连续性倒塌的仿真分析[期刊论文]-结构工程师2010(1)12.张凡榛.易伟建无梁楼板的抗倒塌性能试验研究及分析[期刊论文]-湖南大学学报（自然科学版）2010(4)13.黄鑫.陈俊岭.马人乐建筑物抗连续倒塌研究现状和亟待解决的问题[期刊论文]-特种结构2010(3)14.王磊.陈以一.李玲.刘宏创引入初始破坏的桁梁结构倒塌试验研究[期刊论文]-同济大学学报（自然科学版）2010(5)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jzjgxb200705013.aspx