梁柱節(jié)點抗連續(xù)倒塌性能研究綜述

張照閃

河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，中國·河北 邯鄲 056038

1 引言

工程結(jié)構(gòu)在偶然極端荷載（如撞擊、爆炸等）的作用下可能會由于局部破壞而引起整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌，造成嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失以及惡劣的社會影響。1968年英國倫敦Ronan Point 公寓由于爆炸導(dǎo)致上部構(gòu)建不斷墜落撞擊下部構(gòu)建從而造成結(jié)構(gòu)大面積連續(xù)性倒塌，使人們首次認(rèn)識到結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌問題的嚴(yán)重性；1995年的美國Alfred P.Murrah聯(lián)邦大廈由于爆炸導(dǎo)致大廈底層柱失效而引發(fā)的連續(xù)倒塌，進一步促使人們對結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的關(guān)注；2001年美國世貿(mào)中心雙子塔受飛機撞擊發(fā)生連續(xù)倒塌，將連續(xù)性倒塌問題的研究推向了高潮。

2 連續(xù)性倒塌的概念

對于連續(xù)性倒塌的概念，各國說法雖略有不同，但表述內(nèi)容基本一致。下面是幾種被普遍認(rèn)同的說法。

中國一般說法：結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌是指結(jié)構(gòu)因偶然荷載造成結(jié)構(gòu)局部破壞失效，繼而引起與破壞失效構(gòu)件相連的構(gòu)件連續(xù)破壞，最終導(dǎo)致相對于初步破壞更大范圍的倒塌破壞。

英國設(shè)計規(guī)范定義：結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌是一種由于原結(jié)構(gòu)承載模式或邊界條件發(fā)生變化導(dǎo)致剩余結(jié)構(gòu)在荷載和內(nèi)力重分布后缺少可替代的荷載傳遞路徑進而引起結(jié)構(gòu)破壞的連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致產(chǎn)生與初始破壞不成比例的大范圍破壞現(xiàn)象。

美國土木工程師協(xié)會定義：在正常使用條件下由于突發(fā)事件的發(fā)生導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生初始局部破壞，破壞從結(jié)構(gòu)初始破壞位置沿結(jié)構(gòu)傳遞，最終導(dǎo)致建筑物的整體倒塌或者造成與初始破壞部分不成比例的倒塌。

3 國際上的研究現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌試驗主要基于拆除構(gòu)件法，按照不同的加載方式，可分為靜力試驗和動力試驗。靜力試驗?zāi)軌虻玫浇Y(jié)構(gòu)倒塌抗力和抗倒塌機制，材料損傷逐漸演化過程的連續(xù)變化規(guī)律，但是倒塌過程中動力效應(yīng)的影響被忽略。動力試驗可以獲得固定重力荷載下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，但在有限試驗數(shù)量的限制下只對部分結(jié)構(gòu)損傷和動力效應(yīng)進行檢驗。因此兩類研究的目標(biāo)不同，但對于了解結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌機理都具有研究意義。

3.1 連續(xù)倒塌的理論研究

Izzuddin 等[1]提出框架提供了一種評估不同結(jié)構(gòu)理想化水平下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的實用方法，它將影響穩(wěn)定性的因素的討論從泛泛而談轉(zhuǎn)向了量化。Vlassis 等[2]介紹了一種面向設(shè)計的多層建筑連續(xù)倒塌評估方法的新原理。在拱起力矩區(qū)域上方的板中提供額外的鋼筋通常可以對動荷載承載能力和變形能力產(chǎn)生有益的影響。

3.2 連續(xù)倒塌的試驗研究

Yang 和Tan[3]介紹了在中柱拆除情況下常見類型螺栓連接鋼梁柱節(jié)點性能的七個試驗。實驗結(jié)果表明，腹板螺栓連接在形成懸鏈線作用方面具有最佳性能。舒興平等[4,5]探究關(guān)鍵構(gòu)件失效過程中節(jié)點位移及相關(guān)構(gòu)件內(nèi)力變化情況。并采用拆除構(gòu)件法分別拆除角柱、短邊中柱、長邊中柱和內(nèi)中柱，采用經(jīng)驗證的能力評價指標(biāo)進行抗連續(xù)倒塌能力評價。

Li 等[6]進行了鋼梁柱結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌試驗，考慮了焊接連接與螺栓連接兩種梁柱連接方式。完海鷹和鄭曉清[7]對半剛性節(jié)點鋼框架的模型進行試驗研究。Sadek 等對鋼框架梁柱子結(jié)構(gòu)分別采用無加強筋焊節(jié)點和狗骨節(jié)點連接進行了試驗研究。試驗結(jié)果表明，狗骨節(jié)點的延性高于無加強筋焊節(jié)點，并且狗骨式節(jié)點懸鏈線效應(yīng)更為明顯。

3.3 連續(xù)倒塌的數(shù)值模擬研究

Liu 等通過試驗和數(shù)值分析研究了梁柱節(jié)點在突然脫柱情況下的動力性能。研究了腹板角鋼鋼梁柱節(jié)點在連續(xù)倒塌條件下的動力性能。利用通用有限元軟件ABAQUS 進行了數(shù)值模擬。通過將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行比較，驗證了三維有限元模型，進行了參數(shù)研究。Yang 等采用了6 種連接方式進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)解算器比顯式動態(tài)解算器能預(yù)測更精確的仿真結(jié)果。

4 結(jié)語

大量試驗研究和數(shù)值模擬結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌破壞模式分為梁機制階段和懸鏈線機制階段。鋼結(jié)構(gòu)在大變形下全截面受拉承載力較高，只要節(jié)點變形能力足夠，鋼結(jié)構(gòu)可以在懸鏈線機制下提供顯著的連續(xù)倒塌抗力，梁柱節(jié)點的構(gòu)造形式是鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌破壞模式的決定性因素。