基于Ansys的多層框架結構連續(xù)性倒塌分析

鄭思敏

（新疆玉點建筑設計研究院有限公司，烏魯木齊830002）

結構連續(xù)性倒塌是指結構由于突發(fā)事件造成結構發(fā)生初始局部破壞，繼而引起與破壞構件相連的構件連續(xù)破壞，最終導致結構的整體倒塌或者大范圍的倒塌。引起結構連續(xù)性倒塌的原因主要有施工錯誤、煤氣爆炸、機動車輛撞擊、火災等。連續(xù)性倒塌將會造成重大的人身傷亡和經(jīng)濟損失，這種連續(xù)性倒塌往往是由于結構構件單一件的破壞導致，因此有必要研究結構構件破壞對整體結構損害的影響。位于英國倫敦的Ronan Point公寓樓倒塌事件引發(fā)了人們對連續(xù)性倒塌的思考，此后越來越多的學者對此進行研究并制定了相關規(guī)范。有限元軟件對連續(xù)性倒塌研究具有經(jīng)濟全面性，因此一些學者利用數(shù)值模擬方法對建筑結構進行抗連續(xù)性倒塌分析，清華大學的陸新征和江見鯨［1］對世貿大廈的倒塌過程進行仿真分析，蘇幼坡等［2－4］對框架結構的抗連續(xù)性倒塌進行了分析，師燕超等［5－7］對爆炸荷載作用下的結構的動力響應以及結構連續(xù)性倒塌情況進行了研究，并取得了相關成果。

該文結合某7層框架結構，利用有限元軟件Ansys建立三維立體空間模型，研究了邊柱角柱失效后對結構整體的影響，并為后續(xù)工程設計和施工提供相關理論指導和參考。

1 工程概況

某三跨7層框架結構，總高度為26.4m。結構主體由梁板柱構成，圍護墻采用空心砌塊，基礎采用柱下獨立基礎，結構梁板柱以及基礎均采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆。框架結構平面尺寸為39.6m×15m，柱網(wǎng)尺寸為6.6m×6.3m，具體參見圖1。首層高4.8m，其余6層每層高3.6m。結柱截面尺寸500mm×500mm，縱主梁截面尺寸300mm×550mm，次梁截面尺寸250mm×450mm。

混凝土等級為：一、二層為C35，三層以上為C30。縱向受力鋼筋均為HRB400級，箍筋為HPB235級。恒／活荷載［4－6］：樓面恒載為8.5kN／m2，活載為2.0kN／m2，屋面恒載為8.0kN／m2，活載為0.5kN／m2。

地震信息：建筑場地土類型為Ⅱ類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第一組。框架抗震等級為二級，周期折減系數(shù)取1.0。

風荷載信息［8］：基本風壓W0＝0.45kN／m2，地面粗糙度為C類。

荷載組合：恒荷載分項系數(shù)γG為1.2，活荷載分項系數(shù)γL為1.4，活荷載組合系數(shù)ψL為0.7，風荷載分項系數(shù)γW為1.4，風荷載組合系數(shù)ψW為0.6，水平地震荷載分項系數(shù)γEH為1.3，豎向地震荷載分項系數(shù)γEV為0.5。

2 連續(xù)倒塌分析及判斷原則

確定某層柱子失效后，其上部結構構件能否構建新的傳力路線，限制結構處于安全可控范圍內，是連續(xù)倒塌分析的關鍵。根據(jù)DOD2005的拆除流程，確定連續(xù)倒塌柱子失效的三個關鍵位置：1）框架短邊中柱；2）框架角柱；3）框架內部柱子。

線性靜力連續(xù)倒塌分析，主要考慮移除柱子后，在相應柱子上層相鄰開間施加2×（1.0DL＋0.5LL）豎向靜荷載。通過需求能力比（DCR）作為判斷指標，并定義：

式中，Qud為變化路徑后的結構構件內力，Quc為構件的極限承載能力。

當DCR等于1時，為防倒塌的設計極限狀態(tài)；當DCR小于1時，為滿足防倒塌的設計要求；當DCR大于1時，為不滿足結構的防倒塌設計要求。

3 框架結構有限元模型的建立

Ansys有限元是大型通用有限元，在結構計算方面有著很強的計算和數(shù)據(jù)處理功能。根據(jù)結構基本資料建立三維空間有限元，其中框架主次梁和柱利用Ansys中的空間梁單元Beam189模擬，框架樓板利用板單元（Shell63）模擬。鋼筋混凝土可以采用整體建模和分離式建模，建模考慮空間建模的復雜性，對鋼筋混凝土的材料性能進行簡化處理，通過提高材料的彈性模量對鋼筋的模擬，采用整體建模方式來建立模型。三維有限元框架模型見圖2。

4 有限元計算結果與分析

根據(jù)前述DOD2005的拆除流程，選擇角柱KZ1，短邊中柱KZ2和內柱KZ3作為拆除對象。

以角柱KZ1破壞失效作為分析對象。首層角柱KZ1破壞后，整棟7層框架結構發(fā)生內力重分布，與之相鄰的梁內力影響很大。同時對于原本由角柱KZ1承受的軸力轉移到相鄰的柱子上，致使相鄰柱子的軸力也相應增大。如圖3和圖4所示，角柱KZ1所在兩軸上的兩榀框架彎矩都較大，但是對其相鄰的幾榀框架影響則較小。與首層柱子直接相連的梁KL1和KL2的彎矩最大，而隨著豎向層數(shù)的增加和水平向跨度的遠離，彎矩越來越小，這也可以用圣維南原理來解釋，局部的破壞僅僅對局部影響較大。柱KZ1失效后，KL1梁最大負彎矩為311.8kN·m，而極限彎矩為236.5kN·m，所以需求能力比DCR為1.3。計算結果見表3（表3為梁KL1和KL2的需求能力比DCR值）。圖5和圖6分別為角柱KZ1破壞后同層梁KL1、KL2的彎矩圖。

圖7和圖8為角柱KZ1失效后，與之相鄰的兩榀框架剪力圖。如圖7和圖8所示，首層角柱KZ1失效后，整棟7層框架結構發(fā)生內力重分布，與之相鄰的梁剪力影響也很大。角柱KZ1所在兩軸上的兩榀框架彎矩都較大，但是對其相鄰的幾榀框架影響同彎矩一樣也較小。與首層柱子直接相連的梁KL1和KL2的剪力最大，而隨著豎向層數(shù)的增加和水平向跨度的遠離，彎矩越來越小。柱KZ1失效后，KL1梁最大剪力為144.828kN，而極限剪力為133.7kN·m，所以需求能力比DCR為1.08。表2為梁KL1和KL2需求能力比DCR值。

表1 柱KZ1失效后梁KL1、KL2計算彎矩及其DCR值

表2 梁KL1、KL2的剪力及其DCR值

圖9為角柱破壞后框架整體豎向位移云圖。如圖9所示，角柱KZ1頂點位移最大，其值達到24mm，同時隨著高度增加，各層角點的豎向位移也逐漸減小，同時可以看出遠離角柱的同層和上層位移都比較小。從圖中可以看出，結構整體向角柱所在位置傾斜，相鄰柱子發(fā)生彎曲。對于框架梁柱，隨著層數(shù)的增加其彎曲量也在增加。

由以上計算分析可知，角柱KZ1對整棟樓的連續(xù)倒塌影響較大。由表3、表4和表5可知，角柱KZ1破壞后對整棟建筑影響最大，內柱次之，短邊中柱最小。

表3 角柱KZ1破壞后DCR

表4 中柱KZ2破壞后DCR

表5 內柱KZ3破壞后DCR

5 結 論

a.對連續(xù)性倒塌的影響最主要的是框架角柱和中柱，框架柱破壞后整棟建筑結構發(fā)生內力重分布，其對破壞柱的相鄰框架的內力改變最明顯。

b.當角柱破壞后整棟建筑向破壞柱一角傾斜，梁柱離破壞柱越近傾斜度越大。

c.內柱、角柱、邊柱對框架結構的連續(xù)倒塌影響程度不一，角柱最大，內柱次之，短邊中柱最小。

［1］ 陸新征，江見鯨.世界貿易中心飛機撞擊后倒塌過程的仿真分析［J］.土木工程學報，2001，34（6）：7－10.

［2］ 蘇幼坡，梁 軍，馬東輝，等.鋼筋混凝土框架結構抗豎向連續(xù)倒塌能力分析［J］.結構工程師（增刊），2005，21（6）：456－461.

［3］ 于 山，蘇幼坡，馬東輝，等.鋼筋混凝土建筑抗倒塌設計［J］.地震工程與工程振動，2005，25（5）：67－72.

［4］ 邢甫慶，陳道政.四層 RC框架結構抗連續(xù)性倒塌分析［J］.安徽建筑工業(yè)學院學報：自然科學版，2009，17（5）：31－35.

［5］ 師燕超，李忠獻，郝 洪.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土框架結構的連續(xù)倒塌分析［J］.解放軍理工大學學報，2007，6（6）：652－658.

［6］ 師燕超，李忠獻.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱的動力響應與破壞模式［J］.建筑結構學報，2008，29（4）：112－117.

［7］ 李忠獻，劉志俠，Hao Hong.爆炸荷載作用下鋼結構的動力反應分析［J］.建筑結構（增刊），2006，36：98－101.

［8］ GB 50009—2012，建筑結構荷載規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.