X形支撐對鋼框架抗連續倒塌性能的影響

韓　賓（中國煤炭科工集團南京設計研究院有限公司,　南京　210031）

X形支撐對鋼框架抗連續倒塌性能的影響

韓賓
（中國煤炭科工集團南京設計研究院有限公司,南京210031）

摘要：本文選取一個鋼框架模型，通過SAP2000軟件，采用拆除構件法分析了X形支撐對鋼框架抗連續性能的影響。合理設置的X形支撐能夠提高鋼框架的整體性、增加其安全儲備，而且對造價的影響不大，可以在鋼框架抗連續倒塌設計中采用。

關鍵詞：X形支撐；連續倒塌；拆除構件法；SAP2000

1　前言

連續倒塌是指，結構在正常使用過程中，因遭遇突發事件，而發生局部破壞，受結構本身的延性和連續性所限，局部破壞從初始位置沿構件進行傳遞，最終導致整個建筑物倒塌或者造成與初始破壞不成比例的倒塌[1]。“連續性”和“不成比例性”是連續倒塌的顯著特點。

X形支撐是鋼框架中心支撐的主要形式之一，應用比較廣泛，本文通過SAP2000軟件分析、探討了X形支撐對鋼框架抗連續倒塌性能的影響。

2　分析模型和分析方法

2.1分析模型

本文選取一10層鋼框架，底層層高5m，其余層層高4m，縱橫向間距均為6m。純鋼框架為模型一，在2層滿跨設置X形支撐為模型二。構件的截面尺寸見表1。模型一用鋼量為941.7t，模型二用鋼量為983.25t。

表1　框架截面尺寸

模型的結構平面簡圖如下圖所示。為便于分析對比，將框架柱、縱梁、橫梁以及節點分別編號為：Ci,j,k，LBi,j～j+1,k,以及Ji,j,k，其中i代表結構的第i層框架，其取值范圍為1～10；j代表橫向軸線的編號次序，其取值范圍為a～f；而k則表示縱向軸線的編號，其取值范圍為1～6。

2.2分析方法

《混凝土結構設計規范GB50010-2010》[2]中提出了防連續倒塌設計可采用的方法有：局部加強法、拉結構件法、拆除構件法；美國GSA2003關于拆除構件法的規定為，假定瞬時“移除”建筑首層一根或幾根關鍵豎向承重構件來模擬偶然事件對結構的直接影響，以評估剩余結構是否具備抵御連續性倒塌的性能[3]。本文選用拆除構件法，通過SAP2000軟件模擬拆除模型的構件C1,a,1、C1,c,3兩種工況來分析X形支撐對鋼框架抗連續倒塌性能的影響。

3　分析對比

3.1分析準備

GSA2003指南對線性靜力分析方法，以需求能力比(DCR)作為線彈性分析的破壞準則。

式中:QUD-突發事件發生時件構件承受的作用(彎矩、軸力、剪力等)，由線性靜力分析求得；QCE-構件預期的極限能力。

靜力分析時，移除構件周邊豎向荷載應考慮動力增大系數：

式中DL-恒載標準值；LL-活載標準值。

3.2工況一時兩模型抗連續倒塌性能的比較

移除角柱C1,a,1，在與C1,a,1直接相連的區域以及上部區域施加荷載2(DL+0.25LL)，其它區域施加荷載(DL+0.25LL)，然后對兩模型進行分析，并提取與移除構件相連梁的內力、變形。

表2　工況一與移除構件相連梁的彎矩值及DCR

從表2可知，支撐可以顯著減少與移除構件相連梁的彎距值，模型一的DCR均大于0.5，而模型二的DCR均小于0.3；設置支撐后梁的左端彎距由正值變為負值，正彎矩最大值移到跨中，為51.52 kN?m，遠小于未設置支撐梁的370.72kN?m。

移除柱C1,a,1后，原來由C1,a,1承擔的軸力轉移到周邊柱，柱C2,a,1、C3,a,1的軸力變化也較大，結合未移除構件時對兩種模型的分析，軸力變化如表3所示。

表3　工況一移除構件周邊柱的軸力值

由表3可知，相鄰柱C1,a,2、C1,b,2的軸力增大為原來的2倍以上，C1,b,2的增大為原來的1.5倍左右，兩模型均如此，相差不大；但模型一C1,a,2、C1,a,3軸力急劇減小，而模型二的C2,a,1，軸力減小為原來的0.5倍左右，C3,a,1的軸力反而有所增大，說明設置支撐后，二層以上的角柱能夠分擔一定的豎向荷載。

此外，模型一在移除角柱C1,a,1后，節點J1,a,1的豎向位移為89.84mm,而設置支撐后能顯著減小J1,a,1的豎向位移，僅為36.24mm。

3.3工況二時兩模型抗連續倒塌性能的比較

移除內柱C1,c,3，在與C1,c,3直接相連的區域及上部區域施加荷載2(DL+LL)，其它區域施加荷載(DL+LL)，分別對兩模型進行分析，并提取內力、變形。與移除構件直接相連梁LB1,b～c,3、LB1,c～d,3、CB1,c,2～3以及CB1,c,3～4彎距變化較大，分析結果如表4所示。

表4　工況二與移除構件相連梁的彎矩值及DCR

從表4可知，兩模型中與移除構件相連梁的彎距變化很大，遠離移除構件端彎矩要大于靠近移除構件端，模型一中，兩者的比在1.5倍左右，模型二中，兩者的比在8倍左右；設置支撐后，可以顯著減少與移除構件相連梁的彎距值，正彎矩最大值移到跨中。

移除柱C1,c,3后，原來由C1,c,3承擔的軸力，轉移到周邊柱，柱C2,c,3、C3,c,3的軸力也發生較大變化，結合未移除構件時對兩種模型的分析，軸力變化如表5所示。

表5　工況二移除構件周邊柱的軸力值

移除內柱C1,c,3后，其軸力主要由C1,c,2、C1,b,3、C1,d,3、C1,c,4分擔，軸力增加3000KN左右；設置支撐后，軸力的分布要更均勻；模型一柱C2,c,3、C3,c,3軸力急劇減小，而模型二的二層柱C2,c,3，軸力減小為原來的0.6倍左右，三層柱C3,c,3的軸力為原來的1.6倍左右，說明設置

支撐后，移除柱二層以上的柱能夠分擔一定的豎向荷載。此外，模型一在移除內柱C1,c,3后，節點J1,c,3的豎向位移為106.42mm,而設置支撐后能顯著減小J1,c,3的豎向位移，僅為32.42mm。

4　結論

本文通過SAP2000分析軟件對模型一和模型二進行了抗連續倒塌性能的分析和比較，得出以下結論：

兩模型的DCR值均小于2，但設置支撐后DCR值顯著減小，結構的抗連續倒塌安全儲備更大；移除構件后，與模型一相比，模型二中與移除構件相連梁的彎距變化幅度明顯偏小；移除構件周邊柱的軸力更加均勻，而且設置支撐后移除構件以上的柱能夠分擔部分豎向荷載；模型二在移除構件上端的豎向位移僅為模型一的0.3倍左右。

模型二的用鋼量（983.25t）僅比模型一的用鋼量（941.75t）增加4.4%，對工程造價的影響不大，通過合理設置的X形支撐可以對鋼框架的抗連續倒塌起到一定的作用。

參考文獻：

[1]AmerieanSoeietyofCivi lEngineers(ASCE).Minimumdesign loadsforbui ldingsandothers t ruetures[C].ASCE7-05，Reston，Va.2006.

[2]GB50010-2010,混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2011.

[3]U.S.Genera lSer vi cesAdminis t rat ionGSA(2003b). ProgressiveCol lapseAnalysisandDesignGuidelinesforNew FederalOf ficeBuildingsandMajorModernizationProjects[C]. Washington，D.C，2003.