多道抗震防線下高層建筑連續(xù)抗倒塌性能分析

李敏

【摘 ? ?要】：為提升高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，研究基于多道抗震防線的高層建筑連續(xù)抗倒塌性能。選取建筑結(jié)構(gòu)試件，計算試件節(jié)點域屈服承載力與極限承載力，判斷建筑結(jié)構(gòu)抗震能力，計算建筑結(jié)構(gòu)彈性模量，獲取高層建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)抗倒塌性能相關(guān)系數(shù)，判斷連續(xù)抗倒塌性能。研究結(jié)果表明：高層建筑在受到破壞時，受損框架抗剪承載力與完整框架之間的差異性較小，當(dāng)最大基底剪力在耗能梁段遭受破壞時，屈服型耗能梁段框架抗剪承載力會相應(yīng)升高，框架遭受破壞對高層建筑結(jié)構(gòu)支撐框架抗剪承載力影響較低。

【關(guān)鍵詞】：抗震防線；高層建筑；連續(xù)抗倒塌性能

【中圖分類號】：TU973.31【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）02-62-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.016

Analysis on Continuous Collapse Resistance Performance of High-rise Buildings

under Multi-channel Seismic Defense Lines

LI Min

（China Construction Second Engineering Bureau Co. Ltd.， Nanjing 210000， China）

【Abstract】：In order to improve the stability of high-rise building structures， the paper studies the continuous anti-collapse performance of high-rise buildings based on multiple seismic lines， firstly selects the building structure specimen， calculates the yield bearing capacity and ultimate bearing capacity of the specimen node domain， then judges the seismic capacity of the building structure， finally calculates the elastic modulus of the building structure， obtaines the correlation coefficient of the continuous anti-collapse performance of the high-rise building structure， and judges the continuous anti-collapse performance. The research results show that the difference between the shear bearing capacity of the damaged frame and the intact frame is small when the high-rise building is damaged， the shear bearing capacity will increase， and the failure of the frame will have a low impact on the shear bearing capacity of the high-rise building structural support frame.

【Key words】：seismic defense line; high-rise building; continuous collapse resistance performance

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及建筑技術(shù)的進(jìn)步，高層建筑數(shù)量不斷增多。與低層建筑相比，高層建筑結(jié)構(gòu)在抗震性能與連續(xù)抗倒塌性能方面要求更加嚴(yán)格[1]。高層建筑連續(xù)倒塌，指的是由于結(jié)構(gòu)局部失效引發(fā)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的破壞傳遞，最終導(dǎo)致整個高層建筑出現(xiàn)倒塌[2]，具有不成比例與連續(xù)兩個特性[3]。連續(xù)性體現(xiàn)在高層建筑破壞的傳遞；不成比例性體現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)遭受破壞的程度[4]。高層建筑連續(xù)倒塌的直接原因是受力構(gòu)件失效，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)力釋放速度加快、重分布現(xiàn)象嚴(yán)重，對社會經(jīng)濟(jì)與生命安全造成重大威脅[5]。本文以實際工程為例，提出了基于多道抗震防線的高層建筑連續(xù)抗倒塌性能研究。

1 工程概況

某多功能建筑整體高度70 m；主要為主鋼塔與連廊鋼結(jié)構(gòu)，在建筑結(jié)構(gòu)及性能要求方面十分嚴(yán)格，對于抗震性能及連續(xù)抗倒塌性能的要求較高。

2 研究方法及過程

基于多道抗震防線對高層建筑連續(xù)抗倒塌性能進(jìn)行試驗。采用 6 個梁柱結(jié)構(gòu)試件，節(jié)點采用全焊或栓焊的方式，基于多道抗震防線的原理與建筑抗震設(shè)計規(guī)范，保證試件雙側(cè)節(jié)點上翼緣襯板的構(gòu)造一致[6]。試件的全焊節(jié)點采用腹板雙面角焊縫連接的形式，控制全焊節(jié)點的間隙在8.5 mm以內(nèi)，焊腳尺寸＜6.5 mm，鋼柱節(jié)點域加勁肋厚度不超過 12.5 mm。參考高層建筑抗震設(shè)計規(guī)范，計算試件節(jié)點域屈服承載力[7]。

[?Mp1+Mp2/Vp≤4fyv3] （1）

式中：[?]為建筑結(jié)構(gòu)抗震折減系數(shù)；[Mp1]、[Mp2]分別為鋼柱兩側(cè)鋼梁試件的截面彎矩；[Vp]為試件節(jié)點域體積；[fyv]為建筑結(jié)構(gòu)鋼材的抗剪屈服強(qiáng)度。

計算高層建筑結(jié)構(gòu)中試件節(jié)點域區(qū)域承載力。

[Mu≥ηMp] （2）

[Vu≥2×2Mp/ln+Vb] （3）

式中：[Mu]為試件節(jié)點的極限受彎力；[Vu]為試件節(jié)點的受剪承載力；[η]為試件結(jié)構(gòu)之間的連接系數(shù)；[Mp]為試件鋼梁的受彎承載力；[ln]為鋼梁的跨度距離；[Vb]為試件在重力荷載作用下的剪力值。

預(yù)先假定試件的塑性鉸位置，通過強(qiáng)度驗算高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。控制塑性鉸的梁內(nèi)非節(jié)點位置，調(diào)節(jié)節(jié)點強(qiáng)度的延性，綜合考慮試件熱切割誤差，在試件焊孔加工方式上選擇線切割的方式，將熱切割精度控制在0.25 mm以內(nèi)。移除下翼緣的襯板，添加補(bǔ)強(qiáng)角焊縫；為了對比效果，均在試件的左側(cè)節(jié)點添加補(bǔ)強(qiáng)角焊縫，試件右側(cè)節(jié)點保持不變。為防止梁端破壞，采用 24 個 12.6 級 T18 高強(qiáng)摩擦型的螺栓，連接在剛性底座的端口處，固定鉸支約束，避免抗剪承載力出現(xiàn)滑移的情況。見表 1。

在高層建筑結(jié)構(gòu)中安裝結(jié)構(gòu)測速儀，為連續(xù)抗倒塌性能的研究提供數(shù)據(jù)信號。利用結(jié)構(gòu)圖形交互軟件，對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)分析，提供結(jié)構(gòu)采集頻率。結(jié)合壓電傳感器與加速度傳感器測量試驗機(jī)的錘頭，固定錘頭電阻的閉合線圈，擠壓壓電材料，獲取電荷信號的變化情況。根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)金屬材料拉伸試驗的相關(guān)規(guī)定，對建筑結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行靜力拉伸試驗，測試內(nèi)容主要包括高層建筑結(jié)構(gòu)材料的屈服程度、伸長率、彈性模量與抗拉強(qiáng)度。見表 2。

對高層建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)抗倒塌性能進(jìn)行沖擊試驗，采用應(yīng)變式傳感器對高層建筑進(jìn)行標(biāo)定校核，獲取沖擊試驗下建筑結(jié)構(gòu)傳感器信號的吻合程度，判斷高層建筑結(jié)構(gòu)受背噪影響是否存在信號平滑過渡的情況。基于多道抗震防線的原理，為控制高層建筑沖擊試驗的應(yīng)變率，保證應(yīng)變率的精準(zhǔn)度，采用重錘沖擊的方式破壞高層建筑結(jié)構(gòu)，以獲取建筑結(jié)構(gòu)試件的極限承載狀態(tài)，進(jìn)而確定高層建筑連續(xù)抗倒塌能力并作出相應(yīng)的抗倒塌性能評估。

建筑結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能測試結(jié)束后，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)試驗，獲取更加精準(zhǔn)的試件形態(tài)變化情況。首先，基于試件位移的破壞原則，建立有限元模型，模擬建筑結(jié)構(gòu)的破壞沖擊能，增設(shè)多道抗震防線，共同組成抗震體系，選取延性較高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間建立連接，控制抗震體系中的外部贅余度，建立抗震屈服區(qū)，吸收建筑結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的能量，提高高層建筑結(jié)構(gòu)的修復(fù)能力。

3 研究結(jié)果

計算基于多道抗震防線的高層建筑連續(xù)抗倒塌強(qiáng)度指標(biāo)。對建筑中的6個梁柱試件進(jìn)行編號，分別為 Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6，基于單因素變化參數(shù)獲取高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度 f1、劈裂抗拉強(qiáng)度f2與軸心抗壓強(qiáng)度f3。見表 3。

為進(jìn)一步分析高層建筑連續(xù)抗倒塌性能，判斷當(dāng)部分梁柱損壞時，各強(qiáng)度指標(biāo)變化之間的關(guān)系。見圖1。

由圖1可知，在梁柱發(fā)生損壞時，高層建筑方體的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗壓強(qiáng)度及軸心抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢。結(jié)合彈性模量，判斷高層建筑結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。

[Ec=（Fa-F0）L/（A×Δn）] （4）

式中：[Ec]為建筑結(jié)構(gòu)彈性模量；[Fa]為棱柱體抗壓時的荷載；[F0]為棱柱體抗壓的初始荷載；[L]為測量標(biāo)距；[Δn]為試件抗壓過程中變形的平均值；[A]為試件抗壓荷載系數(shù)。

通過計算彈性模量，獲取高層建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)抗倒塌性能相關(guān)系數(shù)。見表 4。

由表 4 可知，高層建筑在受到破壞時，受損框架抗剪承載力與完整框架之間差異性較小，當(dāng)最大基底剪力在耗能梁段遭受破壞前，屈服型耗能梁段框架抗剪承載力會相應(yīng)升高，框架遭受破壞對高層建筑結(jié)構(gòu)支撐框架抗剪承載力影響較低，當(dāng)遭受非常規(guī)破壞時，建筑支撐框架才會出現(xiàn)失效，建筑結(jié)構(gòu)承載力會相應(yīng)下降。試驗證明，高層建筑在多道抗震防線下，連續(xù)抗倒塌性能較高。

4 結(jié)語

結(jié)合靜態(tài)與動態(tài)分析的方法，對建筑結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能、參數(shù)、承載力進(jìn)行分析，獲取了高層建筑試件的抗倒塌能力。在常規(guī)破壞情況下，基于多道抗震防線的高層建筑的連續(xù)抗倒塌性能較高，遭受破壞對建筑結(jié)構(gòu)支撐框架抗剪承載力影響較低。

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