工程力学—陆新征—清华大学—地震下高层建筑连续倒塌数值模型研究(101125)
工程力学—陆新征—清华大学—钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌设计方法的研究(081225)
最小地震剪力系数对超高层建筑结构抗震性能的影响
震准则，但 JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规 程》［3］第 4． 3． 12 条也采用了与规范 GB 50011—2010 相同的规定。
按规范要求，在结构抗震设计验算过程中，对地 震剪力系数 不 满 足 最 小 地 震 剪 力 系 数 的 楼 层，应 进 行相应的调整使之符合规范要求。虽然我国规范中 给出了一些 调 整 楼 层 剪 力 的 建 议，但 是 在 实 际 建 筑 超限审查中，多采用调整结构刚度（ 周期） 的方法，使 振型分解法计算得到的楼层剪力满足最小地震剪力 系数要求。而在实际设计中发现，对于超高层建筑， 通过调整刚度很难完全满足规范中关于最小地震剪 力系数的要求［2］。以 8 度Ⅱ类场地第一分组（ Tg = 0． 35 s） 为例，其设计反应谱和最小地震剪力系数如 图 1 所示。可见，当结构周期大于 6． 0 s 后，反应谱 谱值明显小于最小地震剪力系数的限值，周期越长， 相差越多。这也就意味着对于超过 6 s 的超长周期 段，即使是一个同等周期的单自由度结构，按底部剪 力法计算得到的最小地震剪力系数也不能满足规范 的要求。而 对 于 多 自 由 度 结 构，由 于 仅 取 了 前 面 有 限阶振型，用 振 型 分 解 反 应 谱 法 计 算 的 基 底 总 剪 力 一般会小于同等周期和质量的单自由度结构的。现 有的超高层建筑结构的周期一般都在 6 ～ 10 s 之间， 所以其抗震验算时利用振型分解法计算得到的地震 剪力系数很难满足现行规范中最小地震剪力系数的 要求。而要完全满足规范中最小地震剪力系数的规 定，必须将结构周期降低到 6 s 以下，这非常不经济 而且也是很难实现。
叶列平asad uq马千里陆新征p清华大学土木工程系
用高强钢绞线代替传统普通钢筋 ,利用其高强弹性 性能 ,以期避免出现首层柱底塑性铰 ,实现图 3 所预 期的合理结构破坏机制 ,并使结构地震响应更易评 估 ,抗震性能易于控制 ,且结构震后残余变形小 ,震 后修复更为简便 。该文采用弹塑性时程分析方法 , 通过普通配筋和高强配筋的两个 3 层框架结构的地 震响应的对比分析 ,研究了高强钢筋对框架结构抗 震破坏机制和性能控制的效果 ,及其地震响应大小 和震后残余变形 。 2 分析模型与分析方法
随着现代社会经济的发展 ,对结构的抗震性能 有了更高的要求 ,不仅要求避免结构在地震作用下 倒塌 ,还要尽可能减少震后对结构进行加固修复 ,尽 快恢复结构的使用功能 。另一方面 ,近年来材料技 术有了极大的发展 ,高强和高性能材料在工程结构 中逐渐得到推广应用 。因此 ,基于传统材料结构所 形成的结构抗震设计理念也应随之更新 。现今的利 用结构塑性变形能力抵御地震作用 、避免结构倒塌 的抗震设计理念 (以下简称“基于延性的抗震设计理 念”) ,是在当时材料强度不高的情况下经过震害经 验总结和长期的研究形成的 。基于延性的抗震设计 理念 ,对于普通强度材料的结构是十分合理的 。然 而 ,若将“延性”理念简单的引申到高强材料结构 ,则 会导致“由于高强材料延性较小而不适合抗震结构” 的错误结论 。如果人们在早期就具有价廉的高强材 料 ,可能现在的抗震设计方法就是“基于反应谱的弹 性设计理论”。事实上 ,现今的结构抗震理论研究表 明 ,结构的延性及其在地震作用下所产生的滞回耗 能相当于增加了结构的阻尼[2] 。阻尼具有减小结构 动力响应的作用 ,即将结构的动能以阻尼耗能形式 转化掉 ,从而使得结构的振动逐渐减小 。因此 ,对于 高强材料结构 ,只要结构具有足够的阻尼耗能能力 , 同样可以抵御地震作用 ,并且可基本仍处于 弹性范围 。而且由于高强材料具有弹性范围大的特 性 ,高强材料结构不会出现传统材料结构在地震作 用下由于塑性形成机制的不确定性导致结构破坏机 制和抗震性能的不确定性 ,更有利于结构的破坏机 制和性能的控制 。
基于有限元的桥梁垮塌场景模拟初探
基于有限元的桥梁垮塌场景模拟初探
许镇;任爱珠;陆新征
【期刊名称】《土木建筑工程信息技术》
【年(卷),期】2010(002)004
【摘要】为了科学而逼真地还原桥梁垮塌过程,辅助桥梁垮塌事故鉴定,本文在虚拟现实平台上对基于有限元数据的桥梁垮塌过程场景模拟进行了研究.基于桥梁垮塌过程的有限元模拟数据,本文在三维图形引擎OSG上实现了桥梁场景建模和垮塌动画模拟,并基于桥梁垮塌模型构建了具有一定真实感的场景漫游系统.通过场景模拟与有限元模拟的结果对比,证明了本文基于有限元的桥梁场景建模和垮塌动画控制方法的有效性.本文将有限元技术与虚拟现实技术相结合,为桥梁垮塌事故鉴定提供了科学而真实的虚拟场景.
【总页数】7页(P14-20)
【作者】许镇;任爱珠;陆新征
【作者单位】清华大学土木工程系,防灾减灾研究所,北京,100084;清华大学土木工程系,防灾减灾研究所,北京,100084;清华大学土木工程系,防灾减灾研究所,北
京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
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汶川地震典型教学楼附支撑防倒塌加固效果分析_唐代远
汶川地震后 , 建筑结构抗 地震倒塌能力 开始 引起地震工程界 关注 , 并认为 应以结构的抗 倒塌 能力为目标 , 完善现有抗震设计方法 。 与此同时 , 汶川地震后很多 建筑需进行抗震 加固 , 相应 的抗 震加固方法包括 :增强构件 承载力 、 增强构件 延 性、 基础隔震、 附加子结构等加固方法 。但是 , 目前的抗震加固主要是依据现行 《抗震设计规范 》 的标准确定抗震 加固程度 , 而 对加固后结构 的抗 地震倒塌能力的 改善效果缺乏定 量研究 。 近 年来 得到广泛关注的基于动力增量分析 (IDA)的倒塌易 损性分析方法 , 为评价不同结 构体系的抗倒 塌能 力提供了相对客观的评价标准 [ 4] 。 IDA方法通过选 取一组具有足够代表性的地震波 (超过 20条 ), 对 结构进行动力时 程分析 , 通过 不断增大地震 动强 度直至结构发生 倒塌 , 获得在 不同地面运动 强度 下结构倒塌的易 损性 , 进而对 不同结构体系 的抗 震能力进行评价 。 本文以漩口 中学主教学楼 的典 型 RC框架结构教学楼为背景 (图 2), 基于 IDA方 法研究采用防屈曲支撑 (BRB支撑 )不同加固方案 的抗倒塌能力 , 以进一步确定 更合理的结构 抗震 加固方案 。
3.76 4.13 4.37 4.51 4.77
BRB支撑方案倒塌率计算结果
X型支撑布置
Sa(T1)/Sa(T1 ), MCE
1.0(大震 )
2.0(特大震 )
0.0%
4.6%
0.0% 0.0% 0.0%
1.5% 0.0% 1.5%
0.0%
1.5%
CMR
3.96 4.46 4.99 4.93 4.70
＊ 收稿日期 :2010 -09 -25 基金项目 :国家 科 技 支撑 计 划 项 目 2009BAJ28B01;工 程 院 重大 咨 询 项 目 (2010 -ZD-4);国 家 自 然 科学 基 金 重 点 项目 资 助 (90815025);城市与工程安全减灾教育部重点实验室开放基金项目、 北京市重点实验室开放基金项目 (EESR2010 -03) 作者简介 :唐代远 (1988 -), 男 , 硕士研究生, 从事混凝土结构抗震研究 .E-mail:tdy05@
高层建筑结构地震损伤与倒塌分析
高层建筑结构地震损伤与倒塌分析一、本文概述高层建筑结构地震损伤与倒塌分析是一个重要且复杂的研究领域，对于提高建筑结构的抗震设计水平，保障人民生命财产安全具有重要意义。
本文旨在深入探讨高层建筑在地震作用下的损伤机制、倒塌模式以及相应的分析方法。
通过综合国内外相关研究成果，本文分析了高层建筑结构地震损伤与倒塌的主要影响因素，包括建筑结构的设计、施工质量、地震动特性等。
同时，本文还介绍了目前常用的地震损伤评估方法和倒塌分析方法，以及这些方法的优缺点和适用范围。
在此基础上，本文提出了一些改进高层建筑结构抗震性能的建议和措施，包括优化结构设计、提高施工质量、采用先进的抗震技术等。
这些建议和措施可以为高层建筑结构的抗震设计和施工提供有益的参考和借鉴。
二、高层建筑结构地震损伤分析在地震灾害中，高层建筑结构的损伤分析至关重要。
由于高层建筑的结构复杂，地震对其产生的破坏通常更为严重。
在进行地震损伤分析时，需要考虑多种因素，如建筑的设计、材料、施工方法、地震波的特性以及地震的强度等。
我们需要理解地震波对高层建筑结构的影响。
地震波在建筑结构中产生应力和应变，这些应力和应变超过材料的承载能力时，就会导致结构的损伤。
高层建筑由于自身的特点，如柔性大、自振周期长等，使其在地震中更容易受到破坏。
高层建筑结构的损伤分析需要考虑结构的动力特性。
地震波的特性、建筑结构的自振周期、阻尼比等因素都会影响结构的动力响应。
在进行地震损伤分析时，需要建立精确的动力分析模型，以模拟地震波在建筑结构中的传播和能量耗散过程。
高层建筑结构的损伤分析还需要考虑材料的非线性行为。
在地震作用下，建筑材料的应力应变关系往往表现出非线性特性。
这种非线性行为会影响结构的动力响应和损伤程度。
在进行地震损伤分析时，需要引入材料的非线性本构模型，以更准确地模拟结构的受力状态和损伤过程。
高层建筑结构的地震损伤分析还需要考虑结构的整体性和局部性损伤。
整体性损伤主要关注结构的整体稳定性和承载能力，而局部性损伤则关注结构中的关键部位和薄弱环节。
建筑结构连续倒塌性能研究进展1)
第38卷第6期力学与实践2016年12月建筑结构连续倒塌性能研究进展1)杨涛∗,†,2)陆艺∗∗(广西大学土木建筑工程学院,南宁530004)†(广西防灾减灾与工程安全重点实验室,南宁530004)摘要在爆炸、撞击等偶然载荷作用下，建筑结构中部分关键承重构件失效可能导致后果极为严重的结构整体连续倒塌破坏.本文对国内外建筑结构连续倒塌性能的试验研究和理论分析成果进行了总结，分析了结构倒塌过程中的各种抵抗机制及其对结构抗倒塌性能的贡献，对现有的结构抗连续倒塌设计与研究方法进行了评述，并对结构抗倒塌性能的研究进行了展望.关键词连续倒塌,悬链线机制,膜效应,Vierendeel效应,评估方法中图分类号：TU312文献标识码：A doi：10.6052/1000-0879-15-197RESEARCH ADV ANCES OF PROGRESSIVE COLLAPSE OFBUILDING STRUCTURES1)YANG Tao∗,†,2)LU Yi∗∗(College of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University,Nanning530004,China)†(Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety，Guangxi University,Nanning530004,China)Abstract The failure of some critical bearing members in building structures caused by accidental loads such as explosion and impact could trigger a devastating progressive collapse of the global structures.This paper reviews the experimental and theoretical research results on the progressive collapse of building structures, and the resistance mechanisms during the collapse as well as the their contributions to the collapse resistance. The current design and assessment methods are discussed.Finally,the prospective research directions on the structural collapse are highlighted.Key words progressive collapse,catenary mechanism,membrane action,Vierendeel action,assessment method在爆炸、碰撞或火灾等偶然载荷作用下，局部承重构件(柱子或承重墙)失效退出工作可能引起后果极为严重的结构非比例连续倒塌破坏.1968年，英国22层高的Ronan Point公寓由于第18层的燃气爆炸而发生局部结构的连续倒塌.1995年，美国Alfred P. Murrah联邦大楼在遭受汽车炸弹袭击后发生了连续倒塌，并造成重大的人员伤亡.2001年，“九一一”恐怖袭击导致美国世贸大厦发生整体连续倒塌破坏，此事件使撞击和火灾作用下建筑结构的连续倒塌性能研究得到了更广泛的关注.2005年，西班牙马德里29层的Windsor大楼由于火灾导致上部11层结构发生局部连续倒塌.上述事件促使DoD(U.S.De-partment of Defense standard)[1]和GSA(U.S.Gen-eral Services Administration standard)[2]等建筑抗倒2015–07–16收到第1稿，2015–08–11收到修改稿.1)国家自然科学基金(51568005)、广西高等学校科学研究项目(KY2015YB006)和广西重点实验室系统性研究项目(2014ZDX02)资助.2)杨涛，副教授，博士，主要从事混凝土结构和组合结构受力性能的研究.E-mail:yt48440002@引用格式：杨涛,陆艺.建筑结构连续倒塌性能研究进展.力学与实践,2016,38(6):612-618Yang Tao,Lu Yi.Research advances of progressive collapse of building structures.Mechanics in Engineering,2016, 38(6):612-618第6期杨涛等：建筑结构连续倒塌性能研究进展613塌设计规范的出台.大量的破坏案例引起了各国学者对结构连续倒塌性能与抗倒塌机制的关注，并推动了对结构抗连续倒塌性能和设计方法的研究.本文对近年来国内外建筑结构连续倒塌的研究成果和抗倒塌设计方法进行总结，探讨结构倒塌过程中的抗力机制及其对结构抗倒塌性能的影响，并提出结构连续倒塌研究中有待进一步研究的问题.1混凝土结构的倒塌性能研究1.1框架结构框架结构广泛应用于办公楼、住宅等建筑，对其抗倒塌性能开展研究具有重要的意义.2008年，Sasani等[3-4]对San Diego宾馆(带有填充墙的6层钢筋混凝土框架结构)进行了现场倒塌试验测试，试验中同时拆除了底层的1根角柱和1根边柱.研究表明：在拆除两根柱子后，载荷在剩余结构体系中进行重分配的主要机制为Vierendeel效应，该效应导致邻近失效柱的构件内弯矩方向发生改变，梁内钢筋锚固不足,发生拔出破坏.同年，Yi等[5]对一榀1/3比例的3层4跨的钢筋混凝土框架开展了倒塌试验，研究表明：在底层中柱失效情况下，基于塑性极限状态设计法得到的框架抗倒塌能力约为实测的考虑悬链线效应框架极限承载力的70%，悬链线效应对于减小结构的连续倒塌风险有明显的作用.2009年，Su等[6]对12个框架梁子结构试件的连续倒塌性能开展了试验研究，指出纵向约束的存在使梁内形成了压拱效应，压拱效应显著提高了梁抵抗竖向载荷的能力.2012—2013年，Qian 等[7-8]通过子结构试验对角柱失效情况下框架结构的连续倒塌性能开展了研究，研究表明：Vierendeel 效应是角柱节点发生严重破坏前载荷重分配的主要机制；混凝土板的存在将试件的抗倒塌承载力最多提高了63%；板内形成的拉膜效应是在结构承载力下降至谷底后再次上升的主要原因.2013年，Yu 等[9]对2个1/2比例的梁柱子结构试件进行了抗倒塌性能的试验研究，考察了抗震构造措施的影响.试验中梁内先后形成了弯曲效应、压拱效应和悬链线受力机制，而压拱效应和悬链线受力机制显著提高了结构的抗倒塌能力.同年，吴波等[10]通过振动台试验研究了具有薄弱层的框架结构的抗倒塌性能，研究表明：模型的扭转效应随着地震损伤程度的增加有所增大；利用频率的改变幅度进行结构倒塌预警是不现实的；倒塌碰撞导致模型各层的水平加速度出现短时剧烈波动，倒塌碰撞引发的楼板竖向加速度高达30g∼40g，g为重力加速度.2014年，李凤武等[11]对一个1/2比例的3层3跨钢筋混凝土空间框架进行了倒塌试验，研究结果表明：按照抗震规范进行设计的框架结构在底层单个边柱突然失效时具有较好的抗连续倒塌性能，动力效应对结构的影响并不显著.2015年，Elsayed等[12]对12个1/2比例的框架子构件的连续倒塌性能进行研究，探讨了混凝土中钢筋剥离率、钢筋强度和混凝土抗压强度对结构连续倒塌性能的影响，研究表明：提高梁的变形能力有利于构件内悬链线效应的形成，并形成结构抗连续倒塌过程中最后的传力路径；配筋率相同的条件下，采用高强度混凝土的结构延性、初始抗弯刚度和耗能能力分别约为普通混凝土的1.17,1.14和1.10倍.在采用试验方法开展研究的同时，部分学者还采用数值分析方法对框架结构的倒塌性能进行了研究.2014年，王德斌等[13]利用OpenSees有限元软件，采用抽柱法分析了框架结构的层数、层高、跨度和柱失效位置对结构倒塌响应的影响，研究表明：结构的极限承载力随着框架结构层数的增加而增加、随着层高的增大而逐渐降低；随着跨度的减小，结构的极限承载力、刚度、稳定性等均有明显提高；柱失效位置对结构的静力Pushdown分析和动力非线性分析结果有较大影响，其中边柱的失效导致结构的抗倒塌能力明显降低.2015年，Fascetti等[14]提出了局部鲁棒性评估法，通过动力与静力分析相结合的方法分析关键柱移除后竖向力的重分配过程，以此评估单根或多根竖向承重构件突然失效后结构的连续倒塌性能.综上，在钢筋混凝土框架结构的倒塌过程中，压拱效应、悬链线效应等是重要的抗倒塌工作机制.框架梁内的压拱效应和破坏后期的悬链线效应示意图如图1所示.(a)压拱效应图1框架结构抗倒塌工作机制示意图614力学与实践2016年第38卷(b)悬链线工作机制图1框架结构抗倒塌工作机制示意图(续)1.2板柱结构混凝土板柱结构主要由板和柱两类构件组成，柱是此类结构中承受竖向载荷的主要承重构件.与框架结构相比，在部分承重柱失效后板柱结构更易发生连续倒塌破坏.楼盖板是柱失效后剩余结构中载荷传递路径的重要组成部分.因此，其在结构倒塌过程中的受力机理、破坏模式以及对结构抗倒塌承载力的贡献均得到了相应的研究.1984年，Mitchell 等[15]通过编制非线性计算程序，研究了混凝土板在初始破坏后的倒塌响应，并对板的拉膜效应进行了分析.Mitchell 通过研究指出：在发生冲切破坏后，板中上层钢筋对板抗倒塌机制的形成贡献较小；当在柱或支承区域有可靠锚固措施时，板底钢筋可以确保板在破坏后悬挂于柱或支承构件上而不致坠落，这也是影响后期混凝土板中拉膜效应形成的主要因素.2008年，Williams 等[16]建立了一种使用梁单元分析混凝土板抗倒塌承载力的方法，该方法通过在板的两个正交方向布置相互关联的梁单元来模拟板的受力.2014年，Keyvani 等[17]利用有限元建模方法分析了简支板冲切剪力传递机制、冲切破坏及后冲切承载力，研究表明：完全侧向约束使板内形成了压膜效应，并提高了板柱结构的抗连续倒塌性能；锚固良好的整体钢筋对板后冲切强度的贡献较大.同年，Micallef 等[18]基于临界剪切断裂理论并考虑了结构的动态抗冲切剪力需求，提出了一种分析板柱结构在冲击载荷作用下行为的模型.2015年，Belletti 等[19]利用非线性有限元法分析了钢筋混凝土板的弯曲和抗剪性能，并对结构的薄膜效应进行了评估.近年来，部分学者对板柱结构的连续倒塌性能开展了相应的试验研究.2010年，Mirzaei [20]通过对24块混凝土板的试验，研究了连续钢筋、弯起钢筋以及锚固条件等因素对板柱节点冲切破坏模式的影响.Mirzaei 的研究进一步证明了Mitchell 等[15]的相关研究结论，即：板中上层钢筋对板的后冲切强度影响较小，而贯穿柱的板底钢筋对于提高板的后冲切强度和变形能力作用明显，并可以避免板在冲切破坏后从柱上脱离.2012年，易伟建等[21]对一个单层2×2跨的钢筋混凝土板柱结构进行了连续倒塌模拟试验，研究表明：楼面载荷主要通过板的挠曲和薄膜作用传递；平板历经弹性阶段、压力薄膜阶段和拉力薄膜阶段.2013年，Qian 等[22]研究了板托对无梁楼盖抗倒塌性能的影响，研究表明设置混凝土板托后，在角柱失效情况下无梁楼盖在倒塌过程中的第一个峰值载荷可提高至不设板托时的1.25倍.同年，Qian 等[23]对6个混凝土板柱试件进行了角柱失效条件下的抗倒塌性能研究，研究表明CFRP(carbon fiber reinforced polymer)加固试件的抗动力倒塌能力至少提高了47.9%.根据已有的研究成果，在板柱结构的倒塌过程中，板内薄膜效应(压膜或拉膜)是重要的抗倒塌机制，膜效应的存在可以提高结构的弯曲和冲切性能.影响板膜效应的因素包括板底钢筋的布置及边界约束条件等.板中拉膜效应示意图如图2所示.图2板中拉膜效应示意图2钢结构的倒塌性能研究钢结构是采用钢材如钢板或型钢，并通过一定的连接方法(焊缝、螺栓或铆钉)所组成的结构形式.近年来，基于能量守恒的方法在钢结构抗倒塌分析中的应用逐渐增多.2008年，Vlassis 等[24]提出了一个简化的设计流程，用于对多层钢框架结构在1根柱瞬间拆除后的连续倒塌能力进行评估.2009年，Vlassis 等[25]又提出了一种遭受上层失效楼盖冲击后下层楼盖体系连续倒塌性能的评估方法.2011年，Xu 等[26]采用基于能量守恒的非线性静力法对三榀钢框架的非比例倒塌易损性进行了评估.2012年，Szyniszewski 等[27]提出了一种基于能量法评估多层建筑连续倒塌性能的方法，研究表明：在动力载第6期杨涛等：建筑结构连续倒塌性能研究进展615荷作用下，柱的变形能是比最大动力载荷更好的一个评价指标.2015年，McConnell等[28]提出了一种相对简单的衡量不同设计参数的主梁转动数据的标准，并讨论了残余应力和几何缺陷对有限单元法计算结果的影响.同年，Mohamed[29]概括并讨论了钢结构抗倒塌设计过程中估计载荷增大因子LIF(load increase factor)的工序，其中LIF可用于考虑柱或墙移除时的动力影响.与混凝土结构相比，影响钢结构倒塌性能的因素更为复杂，如构造措施、连接类型等均可能对钢结构的倒塌性能产生影响.而上述因素仅通过数值分析无法准确地评估其对结构连续倒塌性能的影响.因此，开展相应的试验研究就显得尤为重要.2001年，Astaneh-Asl等[30]对一个由钢梁、钢柱以及组合楼盖板组成的楼盖子结构试件(1跨×4跨)进行了抗倒塌试验，并在子结构试件的长边一侧设置了预应力钢绞线.通过在中柱顶部施加载荷，模拟中柱失效时板的受力情况.试验中随着中柱竖向变形的增加，梁柱连接处螺栓依次断裂，钢绞线在悬链线工作机制中发挥了较大作用.2009年，Tsitos[31]利用单调静力加载法对一榀特殊抗弯钢框架(spe-cial moment resisting frame,SMRF)和一榀在梁柱连接处采用了后张拉耗能机构(post-tensioned energy dissipating,PTED)的钢框架进行了抗倒塌性能试验研究，研究表明：PTED框架的抗倒塌能力和延性均较差；SMRF在屈服后的钢材强化作用几乎完全未能发挥；预应力筋的极限抗拉强度对于PTED 框架结构的整体受力性能影响极大.2012年，陈俊岭等[32]设计了一榀2层钢框架–组合楼板结构体系，采用卷扬机突然施加水平力将拟失效柱从体系中去除，研究表明：由于组合楼板的加强作用，试验框架具有较高的冗余度；组合楼板和框架梁共同作用，使得在框架柱失效后结构内形成新的载荷传递路径，各构件未发生继发性破坏.2013年，谢甫哲等[33]和高山等[34]分别对两层空间钢框架结构(未考虑楼板作用)和1榀4跨单层钢--混凝土组合框架开展了试验研究，分析了钢框架结构在倒塌破坏过程中的受力特点，研究表明：钢框架结构在中柱失效的情况下，结构主要通过塑性铰机制和悬链线机制进行内力重分配；组合梁可以保证悬链线机制的形成，梁内特有的压拱效应可提高结构在关键柱失效初期的承载能力.2013—2014年，Song 等[35-36]通过抽除4根底层柱对一栋钢结构建筑进行了现场试验及数值模拟，并对抽除构件法的准确性和合理性进行了评估.上述研究表明，与混凝土结构类似，膜效应、悬链线工作机制等是影响钢结构连续倒塌性能的主要因素；同时，连接和构造细节对钢结构的连续倒塌性能影响显著.此外，部分学者研究了支撑、抗震措施等对钢结构连续倒塌性能的影响.2009年，Khandelwal 等[37]利用抽除构件法对一个10层框架的抗倒塌性能进行了分析，框架分别采用了两种不同支撑体系(中心支撑和偏心支撑)，研究表明设置偏心支撑的框架具有更好的抗连续倒塌性能.同年，马人乐等[38]通过LS-DYNA动力非线性分析，指出水平支撑能显著减小破坏部位的竖向位移，从而提高结构的抗连续倒塌能力.2010年，Yu等[39]利用有限单元法模拟了带有组合楼板的钢框架的连续倒塌性能，通过分析指出采用预应力筋加固结构或者增加节点附近混凝土的抗裂性可以有效提高结构的抗连续倒塌性能.2012—2013年，霍文星等[40]、黄鑫等[41]和Kim等[42]的研究则表明减震阻尼器、水平加强层以及在框架柱间设置填充钢板均有利于提高结构的抗连续倒塌性能.近年来，部分学者展开了对火灾或爆炸作用下钢结构倒塌行为的研究.2007年，Dharma等[43-44]对9根工字型钢梁进行了试验和数值模拟，研究结果表明：温度、翼缘和腹板长细比的提高降低了钢梁的转动能力；有效长度的减小使得构件具有较高的转动承载能力，并且会改变钢梁的失效模式.2010年，Lien等[45]通过向量式有限元法研究钢结构在火灾作用下的非线性响应，研究表明：结构边界条件与施加载荷对钢结构在火灾作用下的响应有显著影响.2012年，Sun等[46]提出了静--动力转换分析方法，该方法可用于追踪结构在火灾作用下的倒塌过程.同年，Sun等[47]使用此方法对设置支撑的钢框架在遭受火灾时的连续倒塌机制进行了研究，研究表明：柱子的失效位置是影响结构连续倒塌的重要因素；支撑系统可以有效提高钢框架在火灾下的抗倒塌能力.2014年，Nigro等[48]提出了一种结合蒙特卡罗方法和塑性极限分析法的概率方法，该方法可用于评估结构遭受火灾作用下的失效概率.同年，陈适才等[49]建立了局部火灾引起多高层钢结构连续倒塌分析的静--动力转换分析方法，研究表明初始破坏的动力放大系数在1.2∼1.5之间.2014年，Talebi等[50]对防屈曲支撑系统(buckling re-616力学与实践2016年第38卷strained brace systems,BRBs)的抗倒塌性能进行了研究，研究表明：与普通中心支撑系统相比，设置防屈曲支撑系统的框架在发生整体倒塌前能够经历更高的温度；防屈曲支撑系统具有足够的刚度来保证受热柱在支撑构件未发生屈曲时将载荷重分配给相邻构件，并能维持框架在受热和冷却两个阶段的整体稳定.爆炸是导致建筑结构发生连续倒塌的重要诱因之一.2009年，张秀华等[51]利用有限元分析程序LS-DYNA对钢框架柱在爆炸载荷作用下的破坏模式开展了研究，研究表明钢框架柱的破坏模式与爆炸载荷的作用特征有关.2012年，丁阳等[52]利用LS-DYNA分析结构在爆炸载荷作用下的动态响应和倒塌过程，研究表明钢框架结构具有较好的抗爆性能.同年，张秀华等[53]利用LS-DYNA软件分析了钢框架结构遭受爆炸冲击时的变形特点及不同形式钢框架的倒塌破坏模式，研究表明：钢框架整体结构具有较好的抗爆性能，直接承受爆炸作用的梁柱会发生较大的塑性变形，远离爆炸源的结构构件变形较小；跨数越多，结构倒塌现象越轻；层数越多，钢框架越易发生整体倒塌破坏.2013年，杜修力等[54]对一栋4层钢框架结构在爆炸载荷作用下的连续倒塌过程进行了仿真分析，分析表明悬链线机制对结构的倒塌形式和构件的渐进破坏形式产生很大影响；悬链线拉力直接或间接导致了结构构件的局部翘曲和整体塑性失稳.同年，Fu[55]建立了一栋20层高建筑的三维计算模型，通过模拟15kg包裹炸弹产生的爆炸载荷，研究了结构的动力响应，研究表明：爆炸载荷作用随着距炸点距离的增加而快速降低，当超过一定距离后，爆炸载荷对结构的影响可以忽略；提高柱的抗剪能力和延性是防止结构在爆炸载荷作用下发生连续倒塌破坏的一种可行的方法. 2014年，郑玉芳等[56]分别对3层4跨钢框架和5层4跨钢框架结构进行爆破拆除仿真模拟，结果表明：通过合理设置结构各参数和爆破点位置，可较为准确模拟钢框架结构的爆破拆除过程.部分学者还对提高已建成钢结构抗连续倒塌性能的改进方法[57]、钢结构的倒塌载荷动力作用系数的取值[58-59]进行了探讨.由于钢结构材质均匀、塑性韧性较好，在倒塌过程中，悬链线作用机制对结构的破坏形式有着显著的影响.在悬链线机制形成过程中，支撑系统可以提供水平约束力.值得注意的是，悬链线作用可能会导致结构构件发生局部或整体失稳，在钢结构的倒塌设计中应予以关注.3结构抗倒塌设计与倒塌风险评估方法3.1规范设计方法根据GSA和DoD等规范的规定，常用的建筑结构抗连续倒塌设计方法包括：(1)概念设计法；(2)拉结强度设计法；(3)拆除构件法；(4)局部增强设计法.前两种方法属于间接设计法，而后两种方法属于直接设计法.直接设计法可以实现评估目标的量化与评估方法的标准化，因此得到了较多的应用，而其中又以拆除构件法(alternate path method, APM)的应用最为广泛.结构连续倒塌是一个动态过程，利用静力加载法进行结构的抗倒塌设计无法体现柱失效瞬间的动力冲击作用.因此，GSA和DoD等规范规定非线性静力分析时所采用的设计载荷应乘以一个动力增大系数(dynamic increase factor,DIF).其中，GSA规范规定DIF取2.0；DoD规范中DIF的取值与结构选用材料和结构类型有关：对于钢筋混凝土、砖石、木材以及冷弯型钢为材料的承重墙结构，其DIF值取2.0；对于钢框架和混凝土框架结构，DIF的取值ΩN分别按照式(1)和式(2)进行计算ΩN=1.08+0.76/(θa/θy+0.83)(1)ΩN=1.04+0.45/(θa/θy+0.48)(2)式中，θa为允许塑性转角，θy为屈服转角.上述规范中关于DIF的取值主要基于数值分析结果，Marjanishvili等[60]、Ruth等[61]通过研究认为DoD等规范中关于动力增大系数的取值过于保守.2012年，Qian等[62]对6个1/3比例的梁柱子构件(未考虑楼盖板的作用)进行了角柱缺失条件下的动力冲击试验，研究表明：梁的跨度对框架的抗连续倒塌性能影响显著，跨度越大越易发生连续倒塌破坏；抗震构造可以提高结构抗连续倒塌的鲁棒性；实测的最大动力增大系数仅为1.38.笔者通过分析指出钢–混凝土组合梁的倒塌载荷动力增大系数可在1.13∼1.41之间取值[63].由此可见，DoD和GSA规范中关于DIF的取值具有一定的局限性，其对钢--混凝土组合结构、预应力结构倒塌分析的适用性有待试验验证和进一步分析.3.2结构倒塌风险的其他评估方法受多种因素的限制，在试验室条件下多采用拆除构件法对建筑子结构试件开展倒塌研究.虽然结第6期杨涛等：建筑结构连续倒塌性能研究进展617构的抗倒塌性能也可以利用数值分析软件进行模拟，但需要建立在一定的简化和假定基础上.钢筋断裂是混凝土结构发生连续倒塌破坏前的重要事件之一，在有限元分析过程中如何处理由于钢筋断裂而引起的非连续性问题并未得到很好的解决.2011年，Sasani等[64]提出了一种在抗倒塌分析过程中考虑钢筋断裂的分析方法.同年，施炜等[65]基于动力增量时程分析的结构抗倒塌易损性分析方法，定量评估了不同抗震设防烈度时多层RC框架结构的抗地震倒塌能力.2013年，Li等[66]开发了一种爆炸作用下结构倒塌的简化模拟分析方法，即重点对爆心附近的子结构进行精细化建模，同时考虑剩余结构构件对该子结构的影响，对比表明：采用该方法得到的分析结果与采用整体建模所得的分析结果较为吻合.4结论与展望综合国内外对建筑结构连续倒塌性能的研究现状，得到以下主要结论：(1)在结构倒塌过程中通常会出现压拱效应、悬链线效应、膜效应等抗倒塌机制，这些工作机制对结构的抗倒塌性能影响显著.(2)对于钢结构，悬链线作用在提高结构抗倒塌能力的同时，可能会导致结构构件发生局部或整体失稳，在设计中应考虑这一不利影响.进行钢结构的抗倒塌设计时，还应考虑支撑、抗震措施等连接和构造细节对结构抗倒塌性能的影响.(3)在对结构的连续倒塌性能开展研究时，现多采用静力倒塌载荷作用下的试验与分析方法，有必要进一步开展动力倒塌载荷下结构的倒塌性能研究，完善倒塌载荷动力增大系数DIF的取值方法；能量法在结构的连续倒塌性能研究中具有较好的应用前景.(4)预应力结构多用于大跨度空间结构，而钢--混凝土组合结构广泛应用于高层建筑.目前对上述两种结构形式的连续倒塌性能开展的研究特别是试验研究较少，有必要开展相应的研究工作.参考文献1Design of buildings to resist progressive collapse.U.S.De-partment of Defense,20092Progressive collapse analysis and design guidelines for new federal office buildings and major modernization projects.U.S.General Services Administration,20033Sasani M.Response of a reinforced concrete infilled-frame structure to removal of two adjacent columns.Engineering Structures,2008,30(9):2478-24914Sasani M,Sagiroglu S.Progressive collapse resistance of Hotel San Diego.Journal of Structural Engineering,2008, 134(3):478-4885Yi WJ,He QF,Xiao Y,et al.Experimental study on pro-gressive collapse-resistant behavior of reinforced concrete frame structures.ACI Structural Journal,2008,105(4): 433-4396Su Y,Tian Y,Song XS.Progressive collapse resistance of axially-restrained frame beams.ACI Structural Journal, 2009,106(5):600-6077Qian K,Li B.Slab effects on response of reinforced concrete substructures after loss of corner column.ACI Structural Journal,2012,109(6):845-8558Qian K,Li B.Performance of three-dimensional reinforced concrete beam-column substructures under loss of a corner column scenario.Journal of Structural Engineering,2013, 139(4):584-5949Yu J,Tan KH.Experimental and numerical investigation on progressive collapse resistance of reinforced concrete beam column sub-assemblages.Engineering Structures, 2013,55(4):90-10610吴波,王明君,赵新宇.混凝土空间板柱结构震致落层倒塌的试验研究.工程力学,2013,30(1):277-28711李凤武,肖岩,赵禹斌等.钢筋混凝土框架边柱突然失效模拟试验与分析研究.土木工程学报,2014,47(4):9-1812Elsayed WM,Moaty MANA,Issa ME.Effect of rein-forcing steel debonding on RC frame performance in resisting progressive collapse.HBRC Journal，2015，/10.1016/j.hbrcj.2015.02.005.13王德斌,李宏男,张杰.构件失效后钢筋混凝土框架结构倒塌响应特性分析.应用力学学报,2014,31(1):116-12114Fascetti A,Kunnath SK,Nistic`o N.Robustness evaluation of RC frame buildings to progressive collapse.Engineering Structures,2015,86:242-24915Mitchell D,Cook WD.Preventing progressive collapse of slab structures.Journal of Structural Engineering,1984, 110(7):1513-153216Williams D,Williams EB.Approximate analysis meth-ods for modeling structural collapse.Structures Congress 2008，Vancouver，200817Keyvani L,Sasani M,Mirzaei pressive membrane action in progressive collapse resistance of RCflat plates.Engineering Structures,2014,59(2):554-56418Micallef K,Sagaseta J,Ruiz MF,et al.Assessing punching shear failure in reinforced concreteflat slabs subjected to localised impact loading.International Journal of Impact Engineering,2014,71(6):17-3319Belletti B,Walraven JC,Trapani F.Evaluation of compres-sive membrane action effects on punching shear resistance of reinforced concrete slabs.Engineering Structures,2015, 95:25-39。
倒塌分析中框架及土体的模型
倒塌分析中框架及土体的模型
陆新征
【期刊名称】《计算机辅助工程》
【年(卷),期】2006(015)0z1
【摘要】以有限元软件MSC Marc为平台,利用其方便的二次开发功能,开发钢筋混凝土框架结构和土体的计算模型. 框架梁柱采用钢筋混凝土杆系结构的纤维模型THUFIBER模拟,地基土则采用一种改进的Drucker-Prager模型来模拟. 计算结果表明,基于MSC Marc出色的非线性分析能力和二次开发能力,可以很好进行结构倒塌过程中上部结构和土体关系的模拟.
【总页数】3页(P417-419)
【作者】陆新征
【作者单位】清华大学,土木工程系,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.砌体填充墙钢框架结构三支杆模型的抗连续倒塌分析 [J], 董硕;王来;史奉伟
2.基于多尺度模型的 RC 框架撞击倒塌响应数值分析 [J], 程小卫;李易;陆新征;闫维明
3.倒塌分析中框架及土体的模型 [J], 陆新征
4.钢框架连续倒塌分析中全焊接刚性节点的组件模型 [J], 谢甫哲;周广杰;顾斌;雷
丽恒
5.基于子结构模型的室内火灾下钢框架结构倒塌分析 [J], 任文;赵金城
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基于推覆分析的RC框架地震倒塌易损性预测_陆新征
第32卷第4期2012年8月地震工程与工程振动JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATIONVol．32No．4Aug．2012收稿日期：2011－12－15；修订日期：2012－02－07基金项目：国家科技支撑计划课题项目（2012BAJ07B012）；国家自然科学基金项目（90815025，51178249）；“教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（NCET －10－0528）作者简介：陆新征（1978－），男，副教授，主要从事防灾减灾和非线性计算.E-mail ：luxz@tsinghua．edu．cn 文章编号：1000－1301（2012）04－0001－06基于推覆分析的RC 框架地震倒塌易损性预测陆新征，张万开，柳国环（清华大学土木工程系，土木工程安全与耐久教育部重点试验室，北京100084）摘要：基于倒塌率的结构倒塌易损性分析是目前评价结构抗倒塌能力最合理的方法。
但是，目前基于增量动力分析（IDA ）的倒塌率分析方法，工作量和实施难度大，很难直接用于工程设计，因此有必要研究便于工程应用的新方法。
本文基于18个典型多层RC 框架结构的IDA 倒塌率分析和静力推覆分析，发现RC 框架在大震下的倒塌率及抗倒塌安全储备（CMR ）与静力推覆得到的结构位移安全储备之间存在较好的相关关系。
依据此关系，建议了保证大震倒塌率的推覆位移安全储备，并通过9个RC 框架结构算例进行了验证。
本文方法简单易行，可供规则多层RC 框架结构抗倒塌设计参考。
关键词：静力推覆分析；地震倒塌易损性；IDA ；倒塌率；位移安全储备中图分类号：P315．9；TU375．4文献标志码：APrediction of seismic collapse vulnerability of RCframe based on pushover analysis methodLU Xinzheng ，ZHANG Wankai ，LIU Guohuan（Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry ，Departmentof Civil Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ）Abstract ：The collapse-vulnerability analysis based on collapse probability is the most reasonable method to evalu-ate the collapse resistant capacity of structures．However ，currently collapse probability analysis is mostly based on incremental dynamic analysis （IDA ），which is difficult to be directly used for engineering design due to relatively heavy workload and complicated procedure．Therefore ，it is necessary to develop a new method ，which is conven-ient for engineering application．In this paper ，18RC frames are analyzed respectively by using pushover analysis and IDA．Then ，the correlation between the results of pushover and those of IDA are studied．The results show that there are fairly good correlated relations between the collapse margin ratio （CMR ），the collapse probability under maximal considered earthquake （MCE ）and the displacement margin ratio from pushover analysis．Based on these relations ，the design displacement margin ratio of pushover analysis to meet the requirement of the collapse proba-bility under MCE is recommended．Nine additional RC frames are used to validate the proposed displacement mar-gin ratio ，which shows this method is easy to use and can provide reference for engineering design of regular multi-story RC frame．Key words ：pushover analysis ；seismic collapse vulnerability ；IDA ；collapse probability ；margin ratio引言建筑物在强震下的倒塌破坏是造成人员伤亡和财产损失的主要原因。
不同抗震设防RC框架结构抗倒塌能力研究
目标，并采用两阶段设计方法。
但目前我国现行 工程力学不同抗震设防RC 框架结构抗倒塌能力的研究施炜叶列平 陆新征 唐代远 (清华大学土木工程系清华大学结构工程与振动教育部重点实验室，北京 100084>摘要：地震作用下建筑结构的抗倒塌能力是基于性能抗震设计的核心目标。
建筑结构需要足够的抗倒塌安全储 备，以避免大震或特大地震的倒塌破坏。
我国现行抗震设计尚缺乏大震抗倒塌定量设计方法和抗地震倒塌能力的定量评价指标。
该文基于 IDA 的结构抗倒塌易损性分析方法，定量评价了按现行规范设计的不同抗震设防烈度多层 RC 框架结构的抗地震倒塌能力和抗倒塌安全储备，讨论了轴压比和倒塌机制对 RC 框架结构抗地震倒塌能力的影响，并根据分析结果提出了有关建议。
关键词：框架结构；动力增量时程分析；抗震设防烈度；倒塌机制；抗倒塌安全储备 中图分类号：TU375.4文献标识码：ASTUDY ON THE COLLAPSE-RESISTANT CAPACITY OF RC FRAMES WITH DIFFERENT SEISMIC FORTIFICATION LEVELSSHI Wei , *YE Lie-ping , LU Xin-zheng , TANG Dai-yuan (Key Laboratory of Structural Engineering and Vibration of China Education Ministry,Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China> Abstract:Collapse safety is the most important objective of performance-based aseismic design. Buildings should have an enough safety margin to avoid collapse subjected to a severe or mega earthquake. However,current Chinese seismic design code for building structures does not provide an explicit design or a quantitative evaluation method for collapse-resistant capacity. In this paper, the collapse-resistant capacities and safety margins against collapse of multi-story reinforced concrete (RC> frames with different seismic fortification levels are quantitatively evaluated, with a collapse fragility analysis based on an incremental dynamic analysis (IDA>.The influences of the axial compression ratio and the failure mode to the collapse-resistant capacity are discussed,and suggestions are proposed to improve the current design.Key words: frame structure 。
不同抗震等级RC框架结构抗地震倒塌能力的研究
不同抗震等级RC框架结构抗地震倒塌能力的研究
范萍萍;陆新征;叶列平
【期刊名称】《工程力学》
【年(卷),期】2018(35)6
【摘要】为研究抗震等级对钢筋混凝土(RC)框架结构抗地震倒塌能力的影响,根据《建筑抗震设计规范》(GB50011―2010)分别设计了不同抗震设防烈度和抗震等级的20个典型RC框架结构,应用动力增量分析法对框架结构进行了倒塌易损性分析,并对比了不同抗震等级框架结构的抗地震倒塌能力。
结果表明:框架结构的抗震等级对其抗地震倒塌能力有重要影响,同一抗震设防烈度下,随着抗震等级的提高,其倒塌概率不断减小,倒塌储备系数(CMR)不断增大,框架结构的抗地震倒塌能力不断提高。
框架柱的轴压比、纵向配筋率和体积配箍率是影响框架结构抗地震倒塌能力的重要因素。
【总页数】9页(P33-41)
【关键词】框架结构;抗震等级;动力增量分析;倒塌概率;倒塌储备系数
【作者】范萍萍;陆新征;叶列平
【作者单位】兰州工业学院土木工程学院;清华大学土木工程系清华大学结构工程与振动教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TU375.4
【相关文献】
1.近断层脉冲型地震动作用下RC框架结构抗整体性倒塌能力分析 [J], 韩建平;张丽丽;徐阳
2.不同比例板式楼梯对RC框架结构抗地震倒塌能力的影响 [J], 汤保新;陈伟;李琪
3.影响RC框架结构抗地震倒塌能力的因素研究 [J], 杨小卫;许君风;胡江春
4.柱轴压比对我国RC框架结构抗地震倒塌能力的影响 [J], 唐代远;陆新征;叶列平;施炜
5.基于显式算法的RC框架结构抗地震倒塌能力分析 [J], 赵鹏举;于晓辉;陆新征因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
特大地震下超高层建筑的倒塌模拟_卢啸
摘要
近年来 500 m 以上超高层建筑发展迅猛, 是当前土木工程的重要国际前沿, 特大地
震下抗倒塌性能研究是超高层建筑必须认真面对的重要问题. 本文以结构总高度为 632 m 的上海中心大厦为具体研究对象, 建立了该超高层结构的有限元模型, 讨论了巨型构件和 各类不同构件的建模方法及其失效准则, 分析了结构的基本动力特性, 预测了该超高层建 筑结构在特大地震作用下的破坏模式和倒塌过程, 分析了其失效机理. 本研究可为超高层 结构地震破坏机理和抗震设计研究提供参考.
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基本工程概况
上海中心大厦位于上海陆家嘴, 是一栋以甲级写
字楼为主的综合性超高层建筑(图 1), 主体塔顶建筑高 度 632 m, 结构屋顶高度约 580 m, 共 124 层, 采用“巨 柱-核心筒-伸臂桁架”的混合抗侧力体系(如图 2), 该 体系的主要组成如下. 1) 核心筒主体为一个边长约 30 m 的方形钢筋 混凝土筒体, 核心筒底部翼墙厚 1.2 m, 随高度增加 核心筒墙厚逐渐减小, 顶部厚 0.5 m; 核心筒内腹墙 厚度由底部的 0.9 m 逐减薄至顶部的 0.5 m. 由于建 筑功能的要求 , 核心筒的角部在第五区以上被逐步 切去, 最终形成一个十字形核心筒[4, 15].
震性能的常用手段之一. 2002 年, 陆华纲、朱彤[1]对 一高度为 166 m 的钢筋混凝土筒中筒结构进行了 1: 50 模型缩比振动台试验, 对 7 度多遇和罕遇地震下的 抗震安全性能进行了评估; 2006 年, 邹昀、吕西林等 人[2]对结构高度为 492 m 的上海环球金融中心大厦进 行了 1: 50 的缩比振动台试验, 研究了该复杂超高层 结构体系在 7 度多遇、7 度基本、7 度罕遇和 8 度罕 遇地震作用下的动力特性及反应 ; 2006 年 , Li & Lam[3]对香港的高度约为 120 m 的高层建筑进行了 1:20 的缩比振动台试验; 2010 年, 毛苑君和吕西林等 人[4]对上海中心大厦进行了 1: 50 结构模型缩比振动 台抗震试验, 分析了结构在 7 度多遇、7 度基本、7 度罕遇以及 7.5 度罕遇地震作用下结构的抗震性能, 而这些试验研究中, 结构并没有发生倒塌, 因此很难 深入掌握结构的倒塌过程及倒塌机理等问题. 2007 年, 黄庆华、顾祥林等人[5]对某 3 层的单跨混凝土框架进 行了 1: 4 缩比模型振动台倒塌试验; 2008 年, Sutia &
译文
高强配筋框－剪结构的抗震分析（姚震宇，陆新征，叶列平，缪志伟）（1.清华大学土木工程系，北京 100084；2.清华大学结构工程与振动教育部重点实验室）摘要：在框－剪结构的剪力墙中配置高强钢筋可以显著提高其安全储备，使得剪力墙在框架之后屈服，并改变地震剪力的分配规律。
本 MSC.Marc 2005 以及清华大学在 MSC.Marc 基础上开发的混凝土纤维模型程序 THUFIBER 和适用于剪力墙结构非线性分析的分层壳墙单元模型，对高强配筋及普通配筋的两个 8 层钢筋混凝土框－剪结构进行了静力推覆分析和实际地震波作用下的动力时程分析，重点研究了高强钢筋对框－剪结构抗震性能控制的效果。
研究结果表明，剪力墙中采用高强钢筋配筋后，改变了剪力墙和框架的刚度退化规律，提高了剪力墙的屈服强度，且同时具有较好的极限变形能力，可以有效提高整个结构的安全储备，对结构抗震是有利的。
关键词框－剪结构高强钢筋静力推覆动力非线性1.引言框架－剪力墙结构是目前在高层建筑中使用最为广泛的一种结构形式。
由于其在弹性阶段层间变形分布较为均匀，故一般具有较好的抗震性能。
但是，由于框架和剪力墙两个结构的非差别，所以在中震和大震下非弹性阶段框架和剪力墙之间的地震力分配一直是一个需要深入讨论的问题。
根据现有研究，普通配筋的剪力墙结构由于其层间位移角弹性极限值远小于框架结构，因此在地震作用下，在不大的层间位移角下，剪力墙就会首先进入屈服，由于剪力墙是主要抗侧力结构，它进入塑性会对层刚度分布产生较大影响，进而影响结构的位移模式和能量分布，会导致变形和耗能集中，对结构的抗震安全性有着不利的影响。
而根据文献[3~5]的研究，通过在钢筋混凝土构件中引入高强钢筋，可以有效提高构件的强度、变形能力、安全储备和震后自复位能力，对提高结构在地震下的安全性有着非常显著的效果。
特别是通过提高整个结构中的主要结构的弹性变形能力，控制由于主要结构进入非线性而带来的位移模型不确定性，可以更为有效的实现基于位移/性能的抗震设计方法。
某超高层混凝土结构火灾作用下的力学响应分析_英明鉴_李易_陆新征_叶列平_闫维明
摘
要：火灾是高层建筑安全的主要威胁之一。建筑物在火灾作用下的力学响应是整体结构的行为，其主要特点
是结构系统内受火区域子结构的刚度和承载力随火灾的发展而变化，进而引起结构体系内的内力重分布。目前， 针对高层结构构件的抗火性能已有相关研究开展，而对于高层混凝土结构的整体抗火性能方面的研究还并不多 见。该文采用考虑高温作用的纤维梁和分层壳模型，对某超高层建筑结构进行了整体结构的抗火分析。通过模拟 超高层结构不同部位在标准升温曲线作用下的整体结构响应，比较分析了火灾作用下超高层结构的抗火性能。最 后，采用 Pushdown 方法分析了火灾作用下结构的抗倒塌性能。 关键词：高层混凝土结构；抗火性能分析；有限元模型；纤维梁；分层壳 中图分类号：TU375 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.05.0435
Abstract:
Fire is oneຫໍສະໝຸດ of the main threats to the safety of high-rise structures. The mechanical response of a
building under fire is the behavior of the overall structure of which the main feature is that the structural stiffness and bearing capacity of heated sub-structures vary with the fire development and in turn lead to the redistribution of the internal forces within the structural system. Currently, the relevant researches about the fire resistance of structural members of high-rise structures have been performed, but the study of the overall fire resistance performance of high-rise concrete structures is rare. In this paper, the fiber beam model and the multi-layer shell model that allow for the effect of high temperature are used to analyze the overall fire resistance performance of a high-rise concrete structure. Through simulating the different parts of the overall structure under the standard fire scenario, a comparative analysis of the fire resistance of super tall structures is taken. Finally, Pushdown method is used to analyze the collapse-resistant capacity under fire. Key words: high-rise concrete structure; fire response analysis; finite element model; fiber beam; multi-layer shell
2011某八层混凝土框架结构火灾连续倒塌模拟_李易
第28卷增刊I V ol.28 Sup. I 工 程 力 学 2011年 6 月 June 2011ENGINEERING MECHANICS53———————————————收稿日期：2010-10-24；修改日期：2010-12-16基金项目：国家科技支撑计划项目(2006BAJ06B06，2006BAJ03A02-01)；“城市与工程安全减灾教育部重点实验室开放基金项目、北京市重点实验室开放基金项目”(EESR2010-03)；长江学者和创新团队发展计划项目(IRT00736)作者简介：*李 易(1981―)，男，湖北人，博士生，主要从事混凝土结构连续倒塌模拟与设计方法的研究(E-mail: yili07@)；陆新征(1978―)，男，安徽人，副教授，博士，所长，主要从事结构非线性计算和仿真研究(E-mail: luxz@)；任爱珠(1946―)，女，浙江人，教授，博士，主要从事计算机火灾模拟、城市防灾减灾方面的研究(E-mail: raz-dci@)； 叶列平(1960―)，男，江苏人，教授，博士，主要从事混凝土结构，地震工程研究(E-mail: ylp@)； 文章编号：1000-4750(2011)Sup.I-0053-07某八层混凝土框架结构火灾连续倒塌模拟*李 易1，陆新征1，任爱珠1，叶列平1，陈适才2(1. 清华大学土木工程系土木工程安全与耐久教育部重点试验室，北京 100084；2. 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124)摘 要：为了模拟火灾下结构倒塌破坏行为，需要开发能够反映结构火灾整体行为的高效数值模型。
该文基于纤维梁模型和分层壳模型开发了混凝土框架火灾倒塌分析程序，对程序中采用的材料高温力学模型进行了分析与检验，并通过对构件抗火性能试验的模拟验证了程序的计算精度。
最后，该文利用该倒塌分析程序对一个八层框架结构的火灾倒塌过程进行了模拟，分析了结构在火灾下的倒塌机理。
基于IDA分析的结构抗地震倒塌能力研究_陆新征
第32卷第1期2010年2月工程抗震与加固改造E arthquake Resistant Eng i n eer i n g and Retrofitti n gVo.l 32,N o 11Feb .2010Earthquake R esistan t Eng i neer i ng and R e tro fitti ng V o.l 32,N o .1 2010[文章编号] 1002-8412(2010)01-0013-06基于I DA 分析的结构抗地震倒塌能力研究陆新征,叶列平(清华大学土木工程系,清华大学结构工程与振动教育部重点实验室,北京100084)[摘 要] 结构体系的合理性对提高结构在极端灾害下的抗倒塌能力具有非常关键的作用,但目前尚缺少对结构体系合理性和抗倒塌能力的定量化评价方法。
本文以结构抗地震倒塌为例,首先对结构的安全储备进行了讨论,指出结构的安全储备包括构件层次的安全储备和整体结构体系安全储备,并对影响结构体系安全储备的因素进行了分析。
而后,为了更好地评价整体结构体系的抗地震倒塌安全水平,介绍了近年来国际上趋向采用的基于增量动力分析(I DA )的倒塌储备系数(C M R ),并以框架结构为例介绍了用倒塌储备系数衡量整体结构抗倒塌能力的具体方法。
[关键词] 结构;抗倒塌;增量动力分析(IDA )[中图分类号] TU 312+11 [文献标识码] ASt udy on the Seis m ic Collapse Resistance of Struct ural Syste mLu X in-zheng,Ye L ie-p ing(D epart men t of C ivil Engineer in g,T singhua University,K ey Laboratory of S tructural Eng ineering and V ibration of China Educati on M inistry,Beijing 100084,China)Abstrac t :Structural sy stem i s very i m po rtant f o r the co llapse resistance o f structures under ex tre m e d isasters .But curren tly the re i s still lack o f quantitative eva l uati on m ethod for struc t ura l syste m.T aking ase is m ic struc t ures as ex a m ples ,t he safe t y ma rg i ns of structures are d i scussed ,and it po i nted out t hat the structura l safe ty m arg i n i s m ade up of safety m arg i n that is benea t h the structura l e le m ent l eve l and t he safety m arg i n o f globa l structural sy stem .Facto rs t hat m ay contro l the sa fety m arg in of g loba l struc t ura l syste m s are analyzed then .In order to g i ve a be tter evalua tion for the safety of who l e struct ure ,Co ll apse M arg in R atio (C M R )is i n troduce ,wh ich i s based on Incrementa lD ynam ic A na l ysis (I DA )and is rece i v ing mo re i nterna ti ona l focus recentl y .F rame exa m ples are g i ven t o ill ustrate how to evalua te the structura l collapse resistance under M ega -eart hquake w i th C M R.K eywords :struc t ural system;seis m i c co llapse res i stance ;Incre m en tal D yna m ic Ana l ys i s(IDA )E -m ai:l ylp @m a i.l tsi nghua .edu .cn[收稿日期] 2009-06-02[基金项目] 国家自然科学基金重大研究计划重点项目资助(90815025);国家科技支撑计划课题(2006BAJ 03A02)1 引言结构是作为一个由各种构件所组成的整体系统来承受各种外界荷载作用的。
极端火灾作用下典型超高层混凝土框架_核心筒结构的连续倒塌分析_英明鉴
引言
1968 年英国 Ronan Point 公寓燃气爆炸倒塌事故 和 2001 年“911”事件世贸双塔火灾倒塌事故使建筑
基金项目： 国家重点基础研究发展计划（ 973） （ 2012CB719703） 、国家自 然科学基金（ 51222804）
作者简介： 英明鉴，硕士研究生 收稿日期： 2014-12-08
在数值模 型 中，柱 和 梁 构 件 采 用 纤 维 梁 单 元，剪 力墙、连梁 以 及 受 火 区 域 的 楼 板 采 用 分 层 壳 单 元，非 受火区域的楼板采用膜单元，不考虑楼板平面外的刚 度，并起到 传 递 重 力 荷 载 的 作 用，从 而 降 低 计 算 工 作 量。单元的精度和计算效率在文献［11］和文献［13］ 中进行了验证，并在文献［11］中进行了详细介绍。节 点区不考虑其破坏而按固结进行建模。梁柱构件等 所采用的高温本构模型参见文献［11］中的介绍，可以 考虑高温下材料的强度、刚度和变形能力的变化。对 于火灾下结构连续倒塌过程中的构件失效、破坏和断 裂，本文通 过 建 立 构 件 在 高 温 下 的 失 效 准 则，并 利 用 “单元生死”技术来进行模拟［11］。对于常温下梁柱以 及墙板构件的失效准则则参见文献［13］。 1． 3 火场条件
Abstract： Since the “9 ·11”event，the progressive collapse of super high-rise structures under incidental loads has been greatly concerned． In this paper，the high performance finite elements and their failure criteria both considering high temperature effects，as well as the elemental deactivation technology are adopt to analyze the progressive collapse of a typical super high-rise concrete frame-core tube structure exposed to extreme fire． It can be found that when the multistorey floor system in the building structure is simultaneously exposed to fire，it performs an overall mechanism similar with Vierendeel action due to the thermal expansion deformation． That leads to the redistribution of the internal forces throughout the structural system not only in the horizontal direction but also in the vertical direction． Thermal expansion and the destruction of the floor system have an important influence on the failure of peripheral columns，which eventually leads to the flexural damage of the columns due to the large second-order effect，triggering the progressive collapse of the structure system． Keywords： super high-rise concrete frame-core tube structure； extreme fire； progressive collapse； numerical investigation； resistance mechanism； collapse mode E-mail： yili@ bjut． edu． cn
大跨度空间结构的连续性倒塌分析
摘要：大跨度空间结构的空间体量大，而且多应用于人口密集的建筑中，因而在局部失效诱致整体结构发生连续性倒塌时，会造成大量的人员伤亡和巨大的财产损失。
国内外针对大跨度空间结构连续倒塌的研究尚处于起步阶段，本文结合已有成果在理论分析方面，总结了各类结构的抗倒塌机制、鲁棒性评价方法和简化评估方法，并介绍了数值模拟在大跨度空间结构连续性倒塌研究中的应用，最后以清华大学陆新征所做的世界贸易中心飞机撞击后倒塌过程的仿真分析进行连续性倒塌数值模拟的实例说明。
关键词：大跨度空间结构，连续性倒塌，鲁棒性，数值模拟0 前言结构的连续性倒塌是指由非预期荷载或作用诱致局部破坏、不平衡力使其邻域单元内力变化而失效，并促使构件破坏连续性扩展下去，从而造成与初始破坏不成比例的部分或全部结构的倒塌[1]。
近年来，恐怖活动频繁、气候环境变化，导致风荷载、雪荷载、洪涝灾害变化幅度大，结构出现超载情况常态化，对连续性倒塌的研究应该得到足够的重视。
结构抗连续倒塌设计对偶然事件发生时有效控制破坏范围, 减少人员伤亡和经济财产损失, 保障人员能从破坏的建筑中得以逃生起到极其重要的作用。
本文首先介绍了国内外连续性倒塌研究状况，之后在分析结构连续倒塌定义的基础上，简述了大跨度空间结构的连续性倒塌理论分析和现状，并对数值模拟在大跨度空间结构的连续性倒塌研究中的应用做了简述。
1 国内外对大跨度空间结构的连续性倒塌的研究状况1.1 国内外对连续性倒塌的研究结构的连续性倒塌研究并不是一个新兴课题，此方面的研究在国外早已开始。
但在我国对结构的连续性倒塌研究起步较晚。
而对于结构的连续性倒塌研究多是基于框架结构，大跨度空间结构的连续性倒塌方面的研究相对较少。
国外对连续性倒塌的研究早已开始。
自1968 年英国的Ronan Point公寓楼因煤气爆炸而发生连续性倒塌事故后国外研究人员和相关机构已经对其进行了四十多年的研究，并以三次重大的连续性倒塌事故( 1968年英国的Ronan Point公寓楼， 1995年美国Alfred P．联邦大楼，2001年美国纽约世贸大楼)为标志掀起了三次研究高潮，取得了不少研究成果，并制定了相关设计规程。
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图 1 截面纤维分布 Fig.1 Fibers of the section
TECS 程序中，对混凝土材料，在 Légeron 和 Paultre 模型[18]的基础上加以改进，考虑了约束效 应、裂面效应、滞回效应等影响[19]，其单轴应力应变关系曲线如图 2，可以较好反映约束效应、软 化行为以及反复受力下的滞回和刚度退化的特性； 对于钢筋材料，在 Légeron 等模型[7]的基础上进行 改进，可反映钢筋单调加载时的屈服、硬化和软化 现象，并合理考虑了钢筋的 Bauschinger 效应(如 图 3)，其与钢筋的材性试验结果吻合良好[20]。大量 计算结果表明，该纤维模型和钢筋混凝土杆系构件 实验结果吻合良好[19,21―22]。
倒塌过程中，构件碎片的冲击和堆载对下部结 构的破坏影响很大，为了实现上述过程的模拟，需 要在模型中定义接触关系。利用 MSC.MARC 的自 体接触，可以实现倒塌过程中结构碎片的接触 模拟。 1.5 算例验证
工程力学
65
连续性倒塌破坏的原因和破坏过程对提高结构抗 震能力具有重要意义。由于结构在强震作用下的连 续性倒塌破坏往往是由最薄弱的局部构件破坏所 控制，其余构件的抗震能力不能得到充分利用，因 此如何确定整体结构中的薄弱部位和破坏原因，并 采取相应措施予以增强就成为提高和改善整体结 构抗地震倒塌能力的重要依据。并且通过对一些典 型常见的结构形式进行深入研究，提高薄弱部位的 抗震能力，也有助于改进和完善其抗震设计和抗震 构造。然而，由于结构的复杂性以及地震作用的随 机性，目前尚无简单的确定结构薄弱部位的方法。 对于重要结构工程，实际工程中有时采用缩尺模型 的振动台试验的方法来确定结构薄弱部位，但这种 方法耗时费力，且缩尺模型振动台试验本身也存在 许多问题(如质量不够、P-∆效应不准确等)。另一种 方法是通过高精度结构数值模型，输入地震波进行 结构倒塌分析，这种方法是近年来结构抗地震倒塌 研究发展的主要趋势，但该方法的主要问题是大型 复杂结构的数值模型和地震动输入。国内外很多学 者在该问题上进行了大量的研究[1―11]。
林旭川(1984―)，男，浙江温州人，硕士，从事混凝土结构非线性分析的研究(E-mail: linxc03@)； 叶列平(1960―)，男，浙江温州人，教授，博士，从事混凝土结构和结构抗震研究(E-mail: ylp@)； 李 易(1981―)，男，湖北襄樊人，博士生，从事混凝土结构抗连续倒塌的研究(E-mail: yili07@)； 唐代远(1988―)，男，北京人，硕士生，从事混凝土结构抗震研究(E-mail: tdy05@).
reinforced concrete
强震作用下结构的倒塌破坏是结构抗灾能力 用荷载传力途径(Alternative load path)和传力能力， 的一个重要极限状态。结构地震下倒塌破坏的一种 则局部破坏会逐步引起其它构件的连锁破坏，最终 典型形式是其薄弱部位首先进入屈服，进而引起变 导致结构的整体破坏。这种破坏可称为结构在强震 形集中，出现局部破坏。如果结构不具备足够的备 作用下的连续性倒塌破坏。了解结构在强震作用下
从本质上说，结构倒塌是一个从连续体向非连 续体转变的复杂数值过程，要求分析数值模型既能 较好地考虑发生倒塌前结构的弹塑性变形、耗能行 为，又能把握在部分构件破坏后，结构碎片的刚体 位移以及破损结构之间的相互接触、碰撞等行为， 因此对数值模型有很高的要求。尽管国内外研究者 在非连续数值模型基础上(离散元法，DDA 法等)进 行了一些倒塌的模拟[12―15]，但是由于非连续数值方 法在准确计算复杂三维结构进入倒塌阶段前的受 力行为上存在一定困难，故而与工程实践要求还有 一定距离。而基于有限元法并考虑单元非线性(单元 生死)和接触非线性的数值模型，则可以较好模拟结 构进入倒塌阶段前的受力行为，对倒塌早期阶段的 模拟也可满足工程要求，且有大量的已有程序和代 码支持[16―17]，本文基于有限元方法，采用纤维梁模 型和分层壳模型，并通过选择合适的单元生死判据 和单元接触算法，可以较好模拟结构在地震下的连 续性倒塌破坏全过程，为强震下结构倒塌破坏的原 因和机理的分析奠定了基础。
摘 要：连续倒塌是由局部薄弱层或薄弱区域而导致的整体结构倒塌，是地震下结构最常见的一种破坏模式。理 论上，结构设计应避免在地震下发生倒塌破坏，但对结构倒塌行为的研究有利于更好地理解结构倒塌机理并寻找 有效的抗倒塌方法。倒塌过程与整体结构体系关系紧密，因而数值模拟成为研究倒塌问题的主要手段。该文开发 了可以模拟复杂结构倒塌的程序，通过将数值分析结果与试验进行比较，说明数值模型可较好地模拟结构构件的 各种极端非线性行为。采用建议的数值模型对两个实际结构进行了分析，分析结果对研究结构在地震下的破坏倒 塌机理具有参考意义。 关键词：防灾减灾；连续倒塌；地震；数值模型；非线性；钢筋混凝土 中图分类号：TU311.41; TU311.3 文献标识码：A
1 数值模型
为实现强震下复杂结构的连续倒塌模拟，本文 作者在前期研究基础上，基于通用有限元程序
MSC.MARC，开发了模拟分析程序 TECS(Tsinghua Earthquake Collapse Simulation)。TECS 程序包括可 以分析杆系结构的纤维模型模块，可以分析剪力墙 结构的分层壳模型模块，以及可以用于倒塌模拟的 单元生死模块。具体内容介绍如下。 1.1 纤维梁模型
NUMERICAL MODELS FOR EARTHQUAKE INDUCED PROGRESSIVE COLLAPSE OF HIGH-RISE BUILDINGS
*LU Xin-zheng , LIN Xu-chuan , YE Lie-ping , LI Yi , TANG Dai-yuan
(Department of Civil Engineering, Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
ζ
η ξ
实现上述破坏过程的模拟，本文采用“单元生死” 技术来加以模拟[17]。由于 TECS 程序中的构件模型 (无论是纤维模型还是分层壳模型)都直接基于构件 的材料本构关系，故而可以根据材料的失效准则来 控制单元失效。即当材料变形超过一定水平时，才 将单元删除，这样单元的失效标准更加明确。TECS 程序中可以设定，如果所有钢筋应变超过拉断应 变，或所有混凝土达到压碎应变且钢筋压曲，则删 除相应单元。 1.4 单元倒塌过程中的接触
第 27 卷第 11 期 Vol.27 No.11
工程力学
2010 年 11 月 Nov. 2010
ENGINEERING MECHANICS
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文章编号：1000-4750(2010)11-0064-07
地震下高层建筑连续倒塌数值模型研究
*陆新征，林旭川，叶列平，李 易，唐代远
(清华大学土木工程系，清华大学土木工程安全与耐久教育部重点试验室，北京 100084)
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收稿日期：2009-10-14；修改日期：2010-02-25 基金项目：国家自然科学基金项目(90815025)；国家科技支撑计划项目(2009BAJ28B01)；长江学者和创新团队发展计划项目(IRT00736)；
工程院重大资询项目(2010-ZD-4) 作者简介：*陆新征(1978―)，男，安徽芜湖人，副教授，博士，从事结构非线性分析、防灾减灾研究(E-mail: luxz@)；
σ σ c0
Ie0 = 0.08
σ σ σ
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Emin
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εc0ε z − εtz ε z εunε re
图 2 混凝土应力-应变曲线
Fig.2 Stress-strain curve of concrete
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工程力学
σ
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(2) b
,σ
(2) b
)
(ε
(2) a
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Abstract: Progressive collapse is defined as the collapse of the whole building due to local weak stories or weak zones. Though collapse should theoretically be avoided for any building under any earthquake, it is necessary to study the collapse behavior of buildings to acquire a better understanding of the collapse mechanism and to find efficient methods to prevent it. The collapse process highly depends on the feature of the whole structural system, so numerical simulation becomes a major method to study it. With the numerical program developed by the authors for the collapse simulation of complicated structures, the highly nonlinear behavior of structural elements can be properly simulated. Two real buildings are analyzed to study the failure mechanism of the structure. The models proposed are reasonable to study the seismic collapse mechanism of high-rise buildings. Key words: disaster prevention and mitigation; progressive collapse; earthquake; numerical model; nonlinear;