楊佑發(fā), 楊天行, 陳 前
(1 重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室, 重慶 400045;2 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400045)
連續(xù)倒塌是指結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞,進(jìn)而引起連鎖反應(yīng)造成相鄰構(gòu)件破壞,最終形成與初始破壞不成比例的大范圍破壞或整體倒塌[1]。隨著美國聯(lián)邦政府大樓和紐約世貿(mào)大廈倒塌事件的發(fā)生,結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌重新成為土木工程領(lǐng)域的研究熱點。國內(nèi)外學(xué)者在抗連續(xù)倒塌試驗[2-4]、抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法[5-8]和抗連續(xù)倒塌分析方法[7-9]等方面進(jìn)行了大量研究。其中,David Vaughan等[1]設(shè)計建造了3跨×4跨×5層的1/18縮尺鋼筋混凝土帶樓板框架模型,利用離心機(jī)裝置對縮尺模型施加18倍的重力加速度,以達(dá)到與原型結(jié)構(gòu)相同的應(yīng)力、應(yīng)變水平,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了長邊中柱拆除試驗和同時拆除角柱和短邊中柱試驗,并將試驗結(jié)果與數(shù)值模擬進(jìn)行了比較;陸新征等[2]通過對5個梁板子結(jié)構(gòu)1/3縮尺模型進(jìn)行在邊柱失效下的靜力加載試驗,研究了邊跨區(qū)域梁板子結(jié)構(gòu)的倒塌破壞機(jī)理以及不同倒塌階段的抗倒塌機(jī)制,并研究了不同設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌抗力的影響;李易等[8-10]基于能量平衡原理推導(dǎo)出了RC框架結(jié)構(gòu)梁機(jī)制和懸鏈線機(jī)制下抗連續(xù)倒塌子結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件非線性動力抗力需求和線性靜力抗力需求之間的關(guān)系;于曉輝等[11]基于Open Sees宏模型,分別采用拆除構(gòu)件法中的非線性靜力法和非線性動力法對一棟10層的鋼筋混凝土(RC)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗連續(xù)倒塌分析,研究了懸鏈線效應(yīng)對RC框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的影響。
需要注意的是,上述研究多是對RC普通框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能和抗連續(xù)倒塌子結(jié)構(gòu)承載力的研究,對山地掉層結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的研究較少。我國山地地形所占比例近2/3,并且目前山地掉層結(jié)構(gòu)建筑在山地城市中的應(yīng)用越來越廣泛。從結(jié)構(gòu)的角度來看,山地結(jié)構(gòu)的受力性能與普通結(jié)構(gòu)有顯著差別[12]。普通框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能研究成果不一定適用于掉層框架結(jié)構(gòu)。因此,有必要對山地掉層結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能進(jìn)行專門的研究。
筆者按現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范分別設(shè)計普通框架和不同掉跨數(shù)、不同掉層數(shù)的掉層框架結(jié)構(gòu)共6個算例,基于LS-DYNA有限元軟件中的截面纖維模型(fiber model),采用拆除構(gòu)件法中的非線性動力分析方法,研究掉層框架結(jié)構(gòu)與普通框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的差異,同時探討掉層層數(shù)、掉層跨數(shù)等因素對掉層框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響規(guī)律。
拆除構(gòu)件法是目前應(yīng)用最廣泛的抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法,根據(jù)是否考慮非線性和動力效應(yīng),其可采用線性靜力分析、非線性靜力分析、線性動力分析和非線性動力分析。其中非線性動力拆除構(gòu)件法雖然計算量較大,但其計算精度最高,應(yīng)用也最多,因此本文采用非線性動力拆除構(gòu)件法進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析。
筆者在進(jìn)行分析時,根據(jù)Department of Defense (DOD)的建議,在施加豎向荷載時對受損跨加載,而其他跨荷載保持不變。如圖1所示,對于移除軸底層柱的情況,在軸和?軸之間的梁上逐級增加荷載α(DL+0.25LL),在其他跨施加荷載DL+0.25LL,其中,α為荷載放大系數(shù),DL為恒荷載,LL為活荷載。
圖1 非線性動力分析加載示意圖
參考DOD[1],非線性動力拆除構(gòu)件法實現(xiàn)步驟如下:1)對拆除構(gòu)件前的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析,得到待拆柱的內(nèi)力;2)拆除目標(biāo)柱,并將柱內(nèi)力反向作用于失效柱頂端節(jié)點處,待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;3)在較短時間內(nèi),將柱內(nèi)力卸載至零,對剩余結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動力分析。柱的失效時間取為剩余結(jié)構(gòu)豎向自振周期的1/10。
根據(jù)實際研究和DOD的規(guī)定,本文將結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌失效準(zhǔn)則定義為:當(dāng)被拆除柱頂點的豎向位移超過與之相連的框架梁最短跨度的20%時,認(rèn)為結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌[1]。
結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌往往伴隨構(gòu)件的大位移、大應(yīng)變、大轉(zhuǎn)動以及材料非線性,屬于強(qiáng)非線性問題,而顯式有限元分析相較隱式分析具有步長小、穩(wěn)定性和收斂性好的優(yōu)點,更加適合結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌分析。因此,筆者采用LS-DYNA有限元軟件進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析。
筆者基于LS-DYNA有限元軟件中的截面纖維模型fiber model進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析。纖維單元模型在保證計算精度的同時擁有更快的數(shù)值分析速度,能夠節(jié)省大量的計算資源,適用于大規(guī)?;蜉^復(fù)雜的數(shù)值模擬,大量算例驗證表明該模型能夠滿足連續(xù)倒塌分析的需要。
纖維模型在平截面假定的基礎(chǔ)上將構(gòu)件在截面方向上劃分為許多纖維束,每個纖維均為單軸受力狀態(tài),依據(jù)平截面假定及單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以得到每根纖維的應(yīng)變,通過單元內(nèi)部迭代計算形成單元剛度矩陣。每個纖維束可以指定具體的材料類型和參數(shù),因此構(gòu)件的非線性特征可以在材料層次上精確表達(dá)。該模型可以更加精確地模擬構(gòu)件的軸力-彎曲耦合滯回行為,可以模擬混凝土構(gòu)件由于裂縫的開合導(dǎo)致的捏攏效應(yīng)。
對于保護(hù)層混凝土和受約束核心混凝土,受壓段采用修正后的Kent-Park本構(gòu)模型,受拉段采用線性模型。鋼筋本構(gòu)采用三段線模型,其中強(qiáng)化段為拋物線形式,滯回行為及Bauschinger效應(yīng)由Ramberg-Osgood公式來描述。本文建立的纖維單元模型如圖2所示。在后續(xù)分析中,框架結(jié)構(gòu)的梁、柱構(gòu)件均采用纖維梁模型進(jìn)行模擬。為了簡化計算,后續(xù)分析中沒有建立樓板的有限元模型。
圖2 LS-DYNA纖維單元模型
選取湖南大學(xué)易偉建[4]等完成的一榀4跨3層平面框架擬靜力倒塌試驗作為算例,試驗詳細(xì)情況見文獻(xiàn)[5]。試件幾何尺寸和截面配筋如圖3所示。
圖3 試驗框架模型與構(gòu)件截面配筋詳圖
在數(shù)值驗證時采用位移控制的卸載方式,來模擬實際試驗中的分級卸載機(jī)制。首先,約束失效柱頂端節(jié)點,施加重力荷載,并在失效柱上方頂層節(jié)點處施加109kN的豎直向下的荷載以模擬上部框架傳來的豎向荷載;保持荷載和約束不變,待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后,先以較小的速度對失效柱節(jié)點施加豎直向下的卸載位移,在卸載位移達(dá)到25mm后,再以較大速度繼續(xù)對失效柱節(jié)點施加豎直向下的卸載位移,直到卸載位移達(dá)到456mm,整個模擬過程與實際試驗的加載過程完全一致。
數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,本文采用的纖維單元模型,可以準(zhǔn)確地模擬RC框架結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下發(fā)生連續(xù)倒塌時的荷載-位移全過程,也可以理想地模擬結(jié)構(gòu)在大變形階段的懸鏈線效應(yīng)。
圖4 試驗荷載-位移曲線與數(shù)值模擬結(jié)果
為研究掉層框架結(jié)構(gòu)和普通框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的不同以及掉層層數(shù)、掉層跨數(shù)對掉層結(jié)構(gòu)的影響,本文設(shè)計了1個普通框架結(jié)構(gòu)和5個掉層框架結(jié)構(gòu),所有結(jié)構(gòu)的總層數(shù)均為6層,平面布置也相同,如圖5所示,均為縱向5跨,橫向3跨。普通框架結(jié)構(gòu)和掉層框架結(jié)構(gòu)均選?、佥S作為分析對象。
圖5 結(jié)構(gòu)平面布置圖
建筑場地類別為Ⅱ類,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計地震基本加速度值為0.1g,設(shè)計地震分組為第一組,框架抗震等級為三級。所有算例模型層高均為3.6m,柱網(wǎng)尺寸為6m×6m。其中,柱截面尺寸600mm×600mm,梁截面尺寸300mm×600mm?;炷翉?qiáng)度等級均采用C30,框架梁柱縱向受力鋼筋采用HRB400,箍筋采用HPB300。樓面恒荷載取5.0kN/m2,樓面活荷載取2.0kN/m2。梁上線荷載根據(jù)設(shè)計取7.5kN/m。按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50001—2010)和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)進(jìn)行設(shè)計,梁柱配筋采用PKPM軟件建立模型,并采用軟件的SATWE模塊進(jìn)行配筋設(shè)計。所有模型立面圖及配筋見圖6,框架梁分三段配筋,框架柱樓層內(nèi)通長配筋。
圖6 框架立面及配筋
其中,模型PC為普通框架結(jié)構(gòu),DC1為掉2層2跨掉層框架結(jié)構(gòu),DC2為掉1層2跨掉層框架結(jié)構(gòu),DC3為掉2層1跨掉層框架結(jié)構(gòu),DC4為掉2層3跨掉層框架結(jié)構(gòu),DC5為掉3層2跨掉層框架結(jié)構(gòu)。
為了研究掉層框架結(jié)構(gòu)與普通框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的不同,本文選取模型PC和模型DC1作為對比算例,對模型結(jié)構(gòu)移除單根底層柱后進(jìn)行非線性動力分析。其中A-1~C-1柱對應(yīng)掉層框架結(jié)構(gòu)下接地層底層柱(A-1柱指圖5中軸交①軸的柱,余同),D-1~F-1對應(yīng)掉層框架結(jié)構(gòu)上接地層底層柱。
圖7為在移除相同位置底層柱的情況下,對普通框架結(jié)構(gòu)模型PC和掉層框架結(jié)構(gòu)模型DC1進(jìn)行非線性動力分析得到的失效柱上方節(jié)點豎向荷載-位移關(guān)系。圖7(b)~(e)為結(jié)構(gòu)底層中柱失效的工況,圖7(a),(f)為結(jié)構(gòu)角柱失效工況。結(jié)構(gòu)在角柱失效的情況下,邊跨形成類似懸臂梁機(jī)構(gòu),承載力主要由梁端彎矩提供,從圖7(a),(f)可得,當(dāng)位移超過900mm后,計算將不收斂,結(jié)構(gòu)迅速失效破壞。這是因為位移超過900mm后,邊跨梁端形成了塑性鉸,結(jié)構(gòu)無法繼續(xù)承擔(dān)荷載。而從圖7(b)~(e)可以看到,在中柱失效的情況下,荷載在超過梁機(jī)制承載峰值后并沒有發(fā)生計算不收斂的情況,荷載-位移曲線有一個上升段,這時結(jié)構(gòu)的承載力機(jī)制發(fā)生了轉(zhuǎn)換,由小變形階段梁機(jī)制轉(zhuǎn)換為大變形階段的懸鏈線機(jī)制,承載力主要由失效梁跨的軸向拉力提供。從表1中,以移除PC模型角柱A-1和中柱B-1情況為例可以發(fā)現(xiàn),雖然邊跨較中跨的相對配筋增加了2.8%,但極限荷載系數(shù)卻減小了26.7%。因此,懸鏈線效應(yīng)對于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能有顯著提高作用。
圖7 普通框架結(jié)構(gòu)和掉層框架結(jié)構(gòu)的非線性動力分析結(jié)果對比
結(jié)構(gòu)極限荷載系數(shù)和相對配筋對比 表1
由圖7可以觀察到,在移除單根底層柱的情況下,普通框架結(jié)構(gòu)的極限荷載系數(shù)均超過了1.0,這說明由現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計的普通框架結(jié)構(gòu)基本滿足抗連續(xù)倒塌設(shè)計。而掉層框架結(jié)構(gòu)在移除底層柱A-1的情況下,極限荷載系數(shù)僅有0.78,這說明掉層框架結(jié)構(gòu)的底層角柱一旦失效,結(jié)構(gòu)將會發(fā)生連續(xù)倒塌,因此7度設(shè)防時,由現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計的掉層框架結(jié)構(gòu)存在抗連續(xù)倒塌性能上的不足。由表1可知,在移除下接地層單根底層柱的情況下,掉層框架結(jié)構(gòu)的極限荷載系數(shù)相較普通框架結(jié)構(gòu)分別下降29%(A-1),20%(B-1),23%(C-1),掉層結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能下降明顯。造成掉層框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能降低的原因主要有兩點:一是下接地層區(qū)域掉層框架梁的配筋相較普通框架結(jié)構(gòu)明顯減少,因此掉層框架結(jié)構(gòu)在下接地層底層柱失效后,失效柱鄰跨梁在梁機(jī)制階段和懸鏈線階段的承載力均明顯降低;二是在底層柱失效后掉層框架結(jié)構(gòu)的冗余度較普通框架結(jié)構(gòu)減少,剩余結(jié)構(gòu)荷載傳遞路徑不足。另外,需要注意的是,掉層框架結(jié)構(gòu)鄰坡柱C-1雖然在結(jié)構(gòu)形式上與邊柱A-1相同,但由于該柱失效后上層梁跨仍然存在連通的框架梁,并且兩側(cè)剩余結(jié)構(gòu)仍然能夠提供足夠的側(cè)向約束,因此C-1柱失效后剩余結(jié)構(gòu)仍然能夠發(fā)揮懸鏈線效應(yīng),這與角柱的承載機(jī)制有所差異。
對于上接地層區(qū)域,在移除單根底層柱的情況下,掉層框架結(jié)構(gòu)的極限荷載系數(shù)相較普通框架結(jié)構(gòu)分別提高2%(D-1),20%(E-1),27%(F-1),掉層結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能明顯增強(qiáng)。上接地層區(qū)域掉層框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度增大,梁柱配筋較普通框架結(jié)構(gòu)增多,因此在上接地層底層柱失效的情況下,掉層框架結(jié)構(gòu)梁機(jī)制和懸鏈線機(jī)制的承載力提高。雖然上接地層區(qū)域掉層框架結(jié)構(gòu)的冗余度較普通框架結(jié)構(gòu)減少,但該部分結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度增大,有利于懸鏈線效應(yīng)的發(fā)揮。因此相較于配筋增加對掉層框架結(jié)構(gòu)承載力的提高,冗余度對掉層結(jié)構(gòu)承載力不利的影響很小。需要注意到,掉層結(jié)構(gòu)鄰坡柱D-1的鄰跨梁相對配筋雖然比普通框架結(jié)構(gòu)增多了9%,但極限荷載系數(shù)卻僅提高了2%。這是由于結(jié)構(gòu)在小變形階段承載力由梁端抗彎承載力保證,因此鄰坡柱D-1失效后,掉層框架結(jié)構(gòu)在梁機(jī)制階段的相對承載力比普通框架結(jié)構(gòu)有所提高;但該柱靠下接地層側(cè)的抗側(cè)剛度減弱,靠下接地層側(cè)產(chǎn)生更大的水平位移,這抵消了梁的部分軸向拉應(yīng)變,結(jié)構(gòu)的懸鏈線效應(yīng)沒有充分發(fā)揮,這可以直觀地從圖7(d)中普通框架結(jié)構(gòu)和掉層框架結(jié)構(gòu)大變形階段荷載-位移曲線的上升曲率看到。
為研究掉層層數(shù)對掉層框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響,本文對掉層層數(shù)分別為1層(DC2)、2層(DC1)和3層(DC5)的掉層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性拆除構(gòu)件分析,其中所有模型的總層數(shù)、總跨數(shù)及掉跨跨數(shù)相同。圖8給出了移除各接地柱后,移除柱上方節(jié)點豎向荷載-位移的關(guān)系。對于掉3層的掉層框架結(jié)構(gòu),在3種工況(移除下接地層柱A-1,B-1,C-1)下,結(jié)構(gòu)的極限荷載系數(shù)均不大于1.0;對于掉2層的掉層框架結(jié)構(gòu),在移除下接地層角柱A-1后,結(jié)構(gòu)會發(fā)生連續(xù)倒塌;對于掉1層的掉層框架結(jié)構(gòu),在移除單根接地柱后,結(jié)構(gòu)的極限荷載系數(shù)均大于1.0。從圖8(a)~(c)可以看到,隨著掉層層數(shù)的增加,掉層框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能明顯下降。以移除柱B-1為例,掉3層框架結(jié)構(gòu)的極限荷載系數(shù)為1.0,比掉2層結(jié)構(gòu)和掉1層結(jié)構(gòu)分別降低了20%和50%。隨著掉層層數(shù)的增加,下接地層區(qū)域框架結(jié)構(gòu)梁的配筋減少,這直接導(dǎo)致掉層層數(shù)多的結(jié)構(gòu)的承載力降低。另一方面,隨著掉層層數(shù)的增加,下接地層區(qū)域框架趨近于2跨普通框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的冗余度減少,側(cè)向約束剛度明顯下降。從圖8(d)~(f)發(fā)現(xiàn),掉1層和掉2層結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線幾乎相同,掉3層結(jié)構(gòu)的荷載系數(shù)遠(yuǎn)小于前二者。掉1層和掉2層框架結(jié)構(gòu)在上接地層區(qū)域梁構(gòu)件的相對配筋幾乎相同,后者比前者稍大2%左右,而掉3層框架結(jié)構(gòu)的相對配筋相較掉1層和掉2層結(jié)構(gòu)均減少了約25%,這是造成該現(xiàn)象的主要原因。
圖8 不同掉層層數(shù)的掉層框架結(jié)構(gòu)非線性動力分析結(jié)果對比
對比圖8(a)~(c)和圖8(d)~(f)可以發(fā)現(xiàn),掉層框架結(jié)構(gòu)的上接地層區(qū)域的抗連續(xù)倒塌性能明顯強(qiáng)于下接地層區(qū)域,圖9為模型DC3移除柱B-1和柱E-1后失效柱上方節(jié)點的豎向位移時程曲線。
為研究掉層跨數(shù)對掉層框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響,本文對掉層跨數(shù)分別為1跨(DC3)、2跨(DC1)和3跨(DC4)的掉層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性拆除構(gòu)件分析,其中所有模型的總層數(shù)、總跨數(shù)及掉層層數(shù)相同。圖10為移除柱A-1和柱F-1后,3種結(jié)構(gòu)移除柱上方節(jié)點豎向荷載-位移的對比。需要說明的是,其余工況(移除柱B-1~E-1)下,各移除柱分別位于結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域,以柱C-1為例,其位于DC3模型的上接地層區(qū)域,但在DC1模型和DC4模型中位于下接地層區(qū)域,無法直接進(jìn)行比較。
圖10 不同掉層跨數(shù)的掉層框架結(jié)構(gòu)非線性動力分析結(jié)果對比
移除柱A-1后,隨著掉層跨數(shù)由1跨增加為2跨,3跨時,結(jié)構(gòu)的極限荷載系數(shù)分別上升11.4%,21.4%;移除柱F-1后,極限荷載系數(shù)分別升高17.6%,36%。可以看出,掉層框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能隨著掉層跨數(shù)的增加而提高,且掉層跨數(shù)對掉層框架結(jié)構(gòu)的上接地層區(qū)域的影響更大。同時對比圖10(a),(b),以掉3跨結(jié)構(gòu)為例,移除上接地層角柱F-1后極限荷載系數(shù)為1.75,而移除下接地層角柱A-1后極限荷載系數(shù)則為0.85,相差1倍以上;掉層框架結(jié)構(gòu)上、下接地層區(qū)域抗連續(xù)倒塌性能的差異較大。
(1)在移除角柱的情況下,懸鏈線效應(yīng)無法充分發(fā)揮,承載機(jī)制主要為梁機(jī)制。在移除中柱的情況下,懸鏈線效應(yīng)能夠充分發(fā)揮,對RC框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能有顯著提升。
(2)掉層框架結(jié)構(gòu)上、下接地層區(qū)域抗連續(xù)倒塌性能差異較大。下接地層區(qū)域,掉層結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能較普通框架結(jié)構(gòu)差;上接地層區(qū)域,掉層結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能則優(yōu)于普通框架結(jié)構(gòu)。
(3)不同掉層層數(shù)的掉層框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能分析結(jié)果表明:在總層數(shù)、總跨數(shù)及掉跨跨數(shù)相同的條件下,隨著掉層層數(shù)的增加,掉層框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能逐漸減弱。
(4)不同掉層跨數(shù)的掉層框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能分析結(jié)果表明:在總層數(shù)、總跨數(shù)及掉跨跨數(shù)相同的條件下,隨著掉層跨數(shù)的增加,掉層框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能逐漸增強(qiáng)。