樓板對RC框架抗連續性倒塌性能分析

郭清娟++魯詩刊

摘要：隨著經濟的發展，由突發事件造成的連續性倒塌事故越來越多，經過很長一段時間的研究，國外學者已取得了突破性的進展。然而為了計算模型的簡化，很多人在研究過程中往往忽略了樓板對抗連續性倒塌的影響。本文利用非線性靜力分析法，基于拆除構件法，對一六層規則的框架結構進行分析，通過研究結構的位移及內力，進一步探討樓板對結構抗連續性倒塌的有利影響。

Abstract： With the development of economy， more and more progressive collapse accidents are caused by sudden accidents. After a long period of time， foreign scholars have made breakthrough progress. However， in order to simplify the calculation model， many people often neglect the effect of the floor slab on the progressive collapse. In this paper， the nonlinear static analysis method is used to analyze the frame structure of 16 layers based on the method of removing the component. By studying the displacement and internal force of the structure， this paper further discusses the beneficial effect of the floor slab on the progressive collapse resistance of the structure.

關鍵詞：樓板；連續性倒塌；非線性靜力分析

Key words： floor slab；progressive collapse；nolinear static analysis

中圖分類號：TU375.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）12-0095-03

0 引言

隨著經濟的發展和城市化進程的加快，由煤氣爆炸、飛機撞擊、火災等意外事故造成的連續性倒塌事件不斷增多，對人民生命財產安全的損失已經不容忽略。從1968年倫敦Ronan Point公寓樓倒塌事件，到1995年美國俄亥俄州Alfred P. Murrah聯邦大廈倒塌事件，再到2001年紐約世貿中心大樓倒塌事件，國外對抗連續性倒塌的研究經歷了三個重要階段，取得了豐碩的成果。我國關于連續性倒塌的研究成果比較有限，規范中雖有涉及，但是也僅僅提出一些簡單的設計原則和要求，因此對于抗連續性倒塌課題的研究迫在眉睫。

目前對連續性倒塌問題，國內外規范中提出的一些可行的設計方法多集中于梁與柱方面，對樓板的研究比較少，本文通過研究樓板對抗連續性倒塌的影響，為設計和研究提供一些參考。

1 連續性倒塌的定義

連續性倒塌[1]是指建筑物因意外荷載、突發事件或局部超載等所造成的局部構件破壞，致使相鄰構件失效，并引起結構發生連鎖反應，使構件的破壞向結構的其他部位不斷擴散，并最終導致結構大范圍坍塌的現象。

2 抗連續性倒塌的設計方法

目前抗連續性倒塌的設計方法[2，3]主要包括：

①概念設計：即通過增加結構的整體性，加強關鍵構件，改造構件措施等概念設計方面入手。概念設計只是概念上的一些措施，多依賴于設計人員的經驗。

②拆除構件法：拆除構件法主要是按一定規則拆除豎向受力構件，然后利用有限元軟件來判定剩余構件的跨越區間的能力。拆除構件法主要依賴于結構的冗余度，冗余度越充分，則結構的抗連續性倒塌的能力越強。

③拉結強度設計：為保證備用路徑法或保證結構的整體性，驗算構件間的連接強度的方法。

④局部加強法：對結構的關鍵單根構件進行加強，減少偶然荷載產生的損傷的方法。

3 抗連續性倒塌的分析方法

抗連續性倒塌的分析方法，按照復雜及精確程度，可以分為：線性靜力分析，非線性靜力分析以及非線性動力分析。其中：

線性靜力分析不考慮材料非線性、幾何非線性及動力效應，計算速度較快，但是精度不足。在連續性倒塌性能分析過程中，需要引入動力放大系數來考慮倒塌過程中的動力效應。線性靜力分析結果偏于保守，一般用于分析10層及以下的建筑。

非線性靜力分析考慮材料非線性、幾何非線性，但是不考慮動力效應，采用逐步加載的方式，耗時比較長，計算結果較線性靜力分析更精確。非線性靜力分析因不能滿足結構動力需求，仍然需要引入放大系數考慮連續性倒塌過程中的動力效應。一般用于10層以上較為規整的結構。

非線性動力分析：連續性倒塌的危害主要在于意外荷載短時間內造成的沖擊作用，非線性動力分析考慮材料、幾何非線性以及荷載與時間關系，計算結果最為精確。

4 荷載組合

各國抗連續性倒塌的規范所采用的荷載組合方式不同，主要包括：

①美國DoD2005規范規定：

采用靜力荷載分析[4]時，在移除構件所在跨及其上方區域所采用的荷載組合為：

2×[（0.9or1.2）D+（0.5Lor0.2S）]+0.2W

其余部分施加的荷載為：

[（0.9or1.2）D+（0.5Lor0.2S）]+0.2W

式中D—恒荷載標準值；L—活荷載標準值；S—雪荷載標準值；W—風荷載標準值；2為動力放大系數。

②美國GSA2003設計指南規定：

采用靜力分析：2×（DL+0.25LL）

采用動力分析：DL+0.25LL

式中DL—恒荷載標準值；LL—活荷載標準值。

本文基于拆除構件法，利用非線性靜力分析法對一六層框架結構進行抗連續性倒塌性能分析。

5 算例分析

①總信息。

如圖1所示為一6層鋼筋混凝土框架結構，x方向與y方向的跨度均為6000mm，樓層高度為3600mm，設計地震分組為第一分組，設防烈度為7度，抗震等級為三級，場地類別為二類。樓面恒荷載為5.0kN/m2，樓面活荷載為2kN/m2，屋面恒荷載為5.0kN/m2，屋面活荷載為2.0kN/m2，沿各梁軸線均勻布置厚度為200mm，容重為10kN/m3的空心砌塊。采用150mm厚的現澆鋼筋混凝土樓板。

利用PKPM得到的截面尺寸及配筋狀況如表1和表2。

②分析方法。

本文利用sap2000軟件，基于GSA2003設計指南，采用非線性靜力分析方法分別移除邊跨的中間柱和角柱來實現初始破壞。并對移除柱相鄰跨及上方區域考慮動力放大系數2的荷載組合，對于其他區域不考慮動力放大系數。圖2為移除邊跨的中間柱與角柱時荷載組合需要考慮動力放大系數的范圍。

利用sap2000分析過程中，在框架梁和柱中插入集中塑性鉸來考慮非線性的影響。其中框架梁兩端和中間指定采用M3鉸，在框架柱的兩端指定P-M2-M3鉸。將移除柱頂端設為監測點，通過觀測監測點的位移來研究樓板對抗連續性倒塌的影響。

實驗結果如表3所示。

由表3中可以看出：

1）當考慮樓板時，監控點的豎向位移顯著減小，這個是因為樓板作為結構重要的水平構件，當拆除某根柱子后，樓板中的鋼筋網可以產生雙向拉結作用，形成拉膜效應，提供向上的拉力，并且可以提高結構的整體性，有效地將荷載分散到結構的其他部位，從而減小監控點處的位移。不考慮樓板時，水平方向上，荷載完全由梁傳遞，當梁無法承擔荷載發生破壞后，可以通過剩余鋼筋的拉鏈作用將該部分荷載傳遞到相鄰的梁和柱上，但是此作用要小于樓板的作用。

2）拆除角柱所產生的豎向位移要小于拆除中柱所產生的豎向位移，這個是因為角柱承擔該樓板1/4的荷載，而邊跨的中柱承擔該樓板1/2的荷載，因此意外荷載發生在中柱所引起的連續性倒塌后果比發生在角柱所引起的后果更嚴重。

3）樓板對拆除中柱比對拆除角柱產生的作用更明顯，這是因為角柱部分的樓板僅在一個方向上提供雙向拉結作用，而中間柱部分的樓板可以在兩個方向上都提供雙向拉結作用。

6 結論

樓板可以通過鋼筋網的雙向拉結作用顯著提高結構的抗連續性倒塌性能。結構中可以通過采用現澆鋼筋混凝土樓板以及適當提高樓板鋼筋的配筋率來提高抗連續性倒塌性能。

樓板對拆除中柱時抗連續性倒塌性能的提高要強于拆除角柱時抗連續性倒塌性能的提高。

中柱破壞所引起的結構豎向位移要大于角柱破壞所引起的豎向位移，因此就抗連續性倒塌性能而言，需要適當加強中柱，減少意外荷載所引起的損傷。

參考文獻：

[1]蘭林.鋼筋混凝土框架愛基于拆除構件法的抗連續性倒塌性能分析[D].廣西大學，2013.

[2]陸新征，李易，葉列平，等.鋼筋混凝土框架結構抗連續倒塌設計方法的研究[J].工程力學，2008，25（S2）：150-157.

[3]李易，陸新征，葉列平，等.結構抗連續倒塌的拉結強度設計方法[C].第十屆全國混凝土結構基本理論及工程應用學術會議，2008：391-396.

[4]左文武.樓板的對混凝土框架結構抗連續性倒塌性能的影響[D].蘭州理工大學，2014.