【文章內(nèi)容簡介】 土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了連續(xù)性倒塌線性靜力分析，通過分析得出完全按照我國設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的四層框架結(jié)構(gòu)在抗連續(xù)倒塌方面明顯不滿足要求，角柱發(fā)生失效時(shí)結(jié)構(gòu)最易發(fā)生倒塌，作者通過分析指出這是由于“索效應(yīng)”的影響，當(dāng)頂層柱失效時(shí)，結(jié)構(gòu)易發(fā)生連續(xù)性倒塌，這對我國在進(jìn)行鋼筋混凝土 框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 型鋼混凝土抗連續(xù)倒塌研究的不足 （ 1） 拉結(jié)力設(shè)計(jì)法不夠完善 鄭州大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 前言 6 目前國外規(guī)范的拉結(jié)力設(shè)計(jì)法自身并不完善，拉結(jié)強(qiáng)度公式僅基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并無理論驗(yàn)證。而基于懸鏈線作用的力學(xué)模型并不能很好地考慮拉結(jié)鋼筋的作用。有些研究發(fā)現(xiàn)即使?jié)M足現(xiàn)行拉結(jié)強(qiáng)度規(guī)定，結(jié)構(gòu)在抵御連續(xù)倒塌方面仍然具有明顯的弱點(diǎn)。且基于國外的工程背景與我國不同，在材料參數(shù)、可靠度、設(shè)計(jì)方法等方面均有差異，因此將其應(yīng)用在我國工程結(jié)構(gòu)上將不能滿足抗連續(xù)倒塌要求。因此有必要對國外規(guī)范拉結(jié)力設(shè)計(jì)法的基本原理及其不足進(jìn)行分析。 （ 2） 動(dòng)力放大系數(shù)偏保守 經(jīng)過相關(guān) 分析結(jié)果表明考慮動(dòng)力效應(yīng)是不考慮動(dòng)力效應(yīng)極限承載力的 92% ～ 80%?？梢娋€性靜力計(jì)算方法雖簡便實(shí)用，但必須在復(fù)雜建筑中需要考慮動(dòng)力效應(yīng)。 DoD 規(guī)范中動(dòng)力放大系數(shù)為 。然而 ,國內(nèi)外有學(xué)者通過對框架結(jié)構(gòu)的分析研究表明 ， 現(xiàn)有規(guī)范中的這些參數(shù)過于保守，往往造成浪費(fèi)。 所以相關(guān)方面的研究尚且存在不足。 （ 3） 未考慮樓板有利作用 現(xiàn)行國外規(guī)范在分析結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力時(shí)，僅考慮了梁、柱組成的框架作用，而樓板并不計(jì)算在內(nèi)。然而，鋼筋混凝土樓板對提高整體結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力有很大幫助，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的整體性。 （ 4）未 建立與建筑物重要性相對應(yīng)的安全等級(jí)分類 意外事件的發(fā)生是一個(gè)小概率事件 ， 因而對所有的建筑都進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)是不合理的 ， 也是不經(jīng)濟(jì)的。應(yīng)根據(jù)重要性對建筑進(jìn)行安全等級(jí)分類 ， 并依此采用與其相適應(yīng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。 （ 5） 歷次規(guī)范中的條款都是定性的指導(dǎo)方針，留給工程專家們一個(gè)自由來表達(dá)各種可能的不同解釋，沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)識(shí)。 研究的主要內(nèi)容 （ 1） 明確結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的概念。本文把結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力定義為結(jié)構(gòu)因突發(fā)事件或局部嚴(yán)重超載而造成部分構(gòu)件突然失 效時(shí) ， 結(jié)構(gòu)能自行調(diào)整內(nèi)力 ,阻止破壞過程的延續(xù) ,從而保證結(jié)構(gòu)整體不至于破壞的能力。 （ 2） 偶然作用 ，將導(dǎo)致構(gòu)件的失效。本文針對這一現(xiàn)象，依次移除第一層長短邊中柱、角柱、結(jié)構(gòu)內(nèi)部中柱等構(gòu)件，通過建模分析，得到每種破壞下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，從而得到結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件。 （ 3） 根據(jù)國外己有關(guān)于抗連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)規(guī)范 ， 結(jié)合我國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定提出鄭州大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 前言 7 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力分析所采用的方法及分析流程。 （ 4） 對一棟按現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)的 6 層型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌能力評價(jià) ， 通過分析不同板厚條件下結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力得到板厚對于結(jié)構(gòu)抗 連續(xù)破壞的影響。 （ 5）通過對比 SRC 框架結(jié)構(gòu)與 RC 框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力的分析，得到 SRC 框架結(jié)構(gòu)在抗連續(xù)倒塌方面的優(yōu)勢。 （ 6）通過以上的分析，得到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的方法。 鄭州大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 SRC框架結(jié)構(gòu)的特性分析 8 框架結(jié)構(gòu)的特性 分析 SRC 結(jié)構(gòu) 的特點(diǎn) SRC 的構(gòu)成、種類 型鋼混凝土（ SteelReinforcedConcrete，以下簡稱 SRC）結(jié)構(gòu)是指在型鋼周圍布置鋼筋，并澆筑混凝土的結(jié)構(gòu)。 型鋼分為實(shí)腹式和空腹式。實(shí)腹式型鋼主要采用軋制 H 型鋼、交叉工字鋼、鋼管、槽鋼 等 ， 常用的截面形式有 I、 H、 T、十字形、矩形以及圓形等。實(shí)腹式型鋼 ， 經(jīng)濟(jì)適用 ，簡便易制作 ， 延性及抗震性能良好 ， 承載能力大 ， 目前實(shí)腹式構(gòu)件被廣泛使用?？崭故叫弯撘话闶遣捎镁Y板或綴條連接角鋼或槽鋼組成的 ， 常用的有平腹桿和斜腹桿?？崭故叫弯摫容^節(jié)省鋼材 ， 但加工量大 ， 制作工序多 ， 費(fèi)用高 ， 抗震性能比普通鋼筋混凝土構(gòu)件稍好 ，但比實(shí)腹式構(gòu)件較差 ， 因此運(yùn)用相對較少 [2]。 SRC 的協(xié)同工作原理 根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有試驗(yàn)資料 ， 型鋼與混凝土之間的粘結(jié)和光圓鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)相類似 ， 主要由三部分組成 ： 混凝土中水泥膠 體與型鋼表面的化學(xué)膠結(jié)力 ， 型鋼與混凝土接觸面上的摩擦阻力和型鋼表面粗糙不平的機(jī)械咬合力。化學(xué)膠結(jié)力主要存在于型鋼與混凝土表面發(fā)生相對粘結(jié)滑移之前 ， 當(dāng)連接面上發(fā)生相對粘結(jié)滑移后 ， 水泥晶體被剪斷或擠碎 ， 化學(xué)膠結(jié)力大大降低 ， 對于型鋼而言 ， 化學(xué)膠結(jié)力在總粘結(jié)力中的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在光圓鋼筋中的比重。當(dāng)化學(xué)膠結(jié)力退出工作后 ， 粘結(jié)力就主要依靠摩擦阻力和機(jī)械咬合力來維持 ， 摩擦阻力主要取決于型鋼與混凝土界面上的正應(yīng)力和摩擦系數(shù) ， 主要與型鋼混凝土構(gòu)件的受力和橫向約束 (混凝土凝固時(shí)的收縮、混凝土保護(hù)層厚度和橫向配箍率等 )及型鋼的表 面特性有關(guān)。機(jī)械咬合力主要取決于型鋼表面的粗糙程度和表面狀況 ， 但其極限值受到混凝土強(qiáng)度的限制。國內(nèi)外試驗(yàn)研究表明 ， 型鋼與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度相當(dāng)于變形鋼筋的 30%~50%[3]。 SRC 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （ 1） 型鋼混凝土構(gòu)件比同樣外形鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力高出一倍以上，因而可以減小構(gòu)件截面尺寸，增加使用面積和降低層高。對于高層建筑而言，其經(jīng)濟(jì)效益顯著。 （ 2） 型鋼在澆筑混凝土之前已形成鋼結(jié)構(gòu)，且具有較大的承載能力，能承受構(gòu)件自重和施工荷載，因而無需設(shè)置支撐，可將模板直接懸掛在型鋼上，這樣可以降低模板 費(fèi)用，加快施工速度。由于無需臨時(shí)立柱，也為進(jìn)行設(shè)備安裝提供了可能。同時(shí)，澆筑的型鋼混凝鄭州大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 SRC框架結(jié)構(gòu)的特性分析 9 土不必等待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度就可繼續(xù)進(jìn)行上層施工，可以縮短工期。 （ 3） 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相比，耐火性能和耐久性能優(yōu)異，同時(shí)由于外包混凝土參與工作，和型鋼結(jié)構(gòu)共同受力，減少了結(jié)構(gòu)的維護(hù)次數(shù)，因此還可節(jié)省鋼材 50％以上。 （ 4） 型鋼混凝土尤其是實(shí)腹式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的延性比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)明顯提高，因而具有良好的抗震性能 [4]。 SRC 抗連續(xù)倒塌的 優(yōu)勢 分析 （ 1） 與鋼結(jié)構(gòu)相比 ,型鋼 混凝土結(jié)構(gòu)可節(jié)約鋼材達(dá) 50%以上 ,降低了造價(jià)。同時(shí)由于型鋼外包混凝土 ,可以防止鋼構(gòu)件的局部屈曲 ,提高了鋼構(gòu)件的整體剛度 ,顯著改善了鋼構(gòu)件出平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能 ,使鋼材的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。另外 ,外包混凝土也增加了結(jié)構(gòu)的耐久性和耐火性 ,避免了鋼結(jié)構(gòu)防銹、防腐蝕、防火性能較差 ,需要經(jīng)常維護(hù)的弱點(diǎn)。 （ 2） 與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比 ,型鋼混凝土結(jié)構(gòu)由于在截面中配置了型鋼 ,使構(gòu)件的承載能力、剛度大大提高 ,因而大大減小了構(gòu)件的截面尺寸。同時(shí)采用實(shí)腹式型鋼的型鋼混凝土構(gòu)件 ,其抗剪承載力有很大提高 ,并大大改善了受剪破壞時(shí)的脆性性質(zhì) ,延性獲得了很大的提高 ,因 此型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 （ 3） 另外在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中配置的實(shí)腹和空腹型鋼骨架 ,可以在工廠制作 ,這就大大提高建筑物施工的工廠化程度 ,并且提高了施工質(zhì)量。這些實(shí)腹式和空腹式型鋼骨架 ,本身可以在施工時(shí)作為承重骨架 ,承受模板和其他施工荷載 ,所以極大地便利施工。 由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度剛性大 ,延性好 ,抗震能力強(qiáng) ,防火防腐蝕性能好及便于施工等一系列優(yōu)點(diǎn) ,因此越來越廣泛地被采用于高層及高聳結(jié)構(gòu) ,地震區(qū)的建 (構(gòu) )筑物 ,承受大荷載的結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)等。 SRC 的結(jié)構(gòu)類型 型鋼混凝土組合結(jié) 構(gòu)分為全部結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用型鋼混凝土的結(jié)構(gòu)和部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用型鋼混凝土的結(jié)構(gòu) ， 此兩類結(jié)構(gòu)宜用于框架結(jié)構(gòu)、框架 剪力墻結(jié)構(gòu)、底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)、框架 核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系。構(gòu)件在各種體系中應(yīng)用的一般方式為 ： （ 1） 型鋼混凝土純框架或支撐框架結(jié)構(gòu) ； （ 2） 型鋼混凝土框架 （ 框筒 ） 型鋼或鋼筋混凝土剪力墻 （ 核心筒 ） 結(jié)構(gòu) ； （ 3） 地下室或底部若干層采用型鋼混凝土 ， 上部采用鋼結(jié)構(gòu) ； （ 4） 地下室或底部若干層采用型鋼混凝土 ， 上部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) ； （ 5） 框架柱采用型鋼混凝土 ， 梁采用鋼或鋼筋混凝土 ； 鄭州大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 SRC框架結(jié)構(gòu)的特性分析 10 （ 6） 在 一般剪力墻和筒體 、 剪力墻中采用型鋼混凝土剪力墻。 鄭州大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 國內(nèi)外對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌研究分析 11 對 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌 研究分析 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的定義、評價(jià)準(zhǔn)則 連續(xù)倒塌的定義 Ellingwood 對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的定義為：由于意外事件（如煤氣爆炸、炸彈襲擊、車輛撞擊、火災(zāi)等）導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部破壞或部分子結(jié)構(gòu)損傷，并引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致破壞向結(jié)構(gòu)的其它部分?jǐn)U散，最終造成結(jié)構(gòu)的大范圍坍塌。一般來說，如果結(jié)構(gòu)的最終破壞狀態(tài)與初始破壞不成比例，即可稱之為連續(xù)倒塌。 評價(jià)準(zhǔn)則 按荷載組合對結(jié) 構(gòu)進(jìn)行二維或三維線彈性靜力分析后，檢查結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，確定主要元件和次要元件的塑性能力大小及分布，從而量化結(jié)構(gòu)中可能發(fā)生倒塌的區(qū)域。 拆除法中構(gòu)件的失效標(biāo)準(zhǔn)采用通用的性能指標(biāo) DCR(Demand capacityRatio)評估元件塑性能力的大小與分布，即 DCR= QUD/ QCE 其中， QUD 指按線彈性靜力分析所得元件或節(jié)點(diǎn)的作用力 (彎矩、軸力、剪力或者組合內(nèi)力 )， QCE 指實(shí)際構(gòu)件、連接或節(jié)點(diǎn)所能承受的極限彎矩、軸力、剪力或者組合內(nèi)力。本文進(jìn)行線彈性抗力評估時(shí)沿用 GSA2021 指南的指標(biāo)，典型結(jié)構(gòu) 的主要及次要元件應(yīng)滿足 DCR≤ ；非典型結(jié)構(gòu)突變處的主要及次要元件應(yīng)滿足 DCR≤ ，非變化處的其它元件仍采用典型結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。 連續(xù)倒塌的類型 連續(xù)倒塌的理論處理和防御應(yīng)對措施因倒塌類型而異，德國漢堡技術(shù)大學(xué)的 Uwe Starossek 在深入研究倒塌機(jī)理的基礎(chǔ)上，將連續(xù)倒塌劃分為 6 個(gè)類型， 4 個(gè)類屬，并為每種類型提出一個(gè)相應(yīng)的術(shù)語，分別為扁平型，閉鎖型，多米諾骨牌型，區(qū)域型，失穩(wěn)型和混合型倒塌。 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部機(jī)構(gòu)失效的原因 造成結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的原因有許多 ,歸結(jié)起來主要有如下 4 類： （ 1） 由于施工或設(shè)計(jì)的失誤，有許多的連續(xù)倒塌事故是由于設(shè)計(jì)或施工不當(dāng)而引起的。 （ 2） 由于地震、火災(zāi)和颶風(fēng)等偶然荷載作用 ， 在這些偶然荷載作用下 ， 結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性大變形 ， 構(gòu)件失穩(wěn) ， 傳力路徑失效引起連續(xù)倒塌。 （ 3） 由于煤氣爆炸、炸彈爆炸、車輛、飛行器撞擊等偶然事件產(chǎn)生的作用 ， 造成部分承鄭州大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 國內(nèi)外對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌研究分析 12 重構(gòu)件失效 ， 阻斷傳力路徑導(dǎo)致連續(xù)倒塌。 （ 4） 基礎(chǔ)的失效。由于腐蝕、地質(zhì)變化等原因引起建筑物地基的部分塌陷會(huì)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)發(fā)生部分破壞 ， 如果結(jié)構(gòu)的剩余部分沒有能力進(jìn)行荷載重分配 ， 就有可能引發(fā)結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)破壞 ， 最終導(dǎo)致連續(xù)倒塌。 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的國內(nèi)、外 規(guī)范 國外規(guī)范 圖 連續(xù)倒塌重大事故與設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)間表 [6] （ 1） 英國規(guī)范 英國規(guī)范的體系分為三個(gè)層次： Building Regulations、 Approved Document 和 British Standard。 Building Regulations 是法令性文件，具有較為廣泛的約束性和應(yīng)用范圍，且只設(shè)定建筑的設(shè)計(jì)目標(biāo)而不涉及具體的設(shè)計(jì)方法。 Approved Document 是根據(jù) Building Regulations 而制定的應(yīng)用指南和解釋說 明，目前包括 14 個(gè)文件，其中 Approved Document A 是結(jié)構(gòu)部分。 Approved Document 不針對具體結(jié)構(gòu)形式，也不進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，它在解決問題時(shí)要求設(shè)計(jì)人員按照其指定的 British Standard 進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 British Standard 是各種具體的設(shè)計(jì)規(guī)范，其內(nèi)容詳細(xì)，對設(shè)計(jì)分析方法、設(shè)計(jì)參數(shù)、構(gòu)造要求等均作出了詳細(xì)的規(guī)定。這三類文件構(gòu)成了整個(gè)