X形支撑对钢框架抗连续倒塌性能的影响

韩　宾（中国煤炭科工集团南京设计研究院有限公司,　南京　210031）

X形支撑对钢框架抗连续倒塌性能的影响

韩宾
（中国煤炭科工集团南京设计研究院有限公司,南京210031）

摘要：本文选取一个钢框架模型，通过SAP2000软件，采用拆除构件法分析了X形支撑对钢框架抗连续性能的影响。合理设置的X形支撑能够提高钢框架的整体性、增加其安全储备，而且对造价的影响不大，可以在钢框架抗连续倒塌设计中采用。

关键词：X形支撑；连续倒塌；拆除构件法；SAP2000

1　前言

连续倒塌是指，结构在正常使用过程中，因遭遇突发事件，而发生局部破坏，受结构本身的延性和连续性所限，局部破坏从初始位置沿构件进行传递，最终导致整个建筑物倒塌或者造成与初始破坏不成比例的倒塌[1]。“连续性”和“不成比例性”是连续倒塌的显著特点。

X形支撑是钢框架中心支撑的主要形式之一，应用比较广泛，本文通过SAP2000软件分析、探讨了X形支撑对钢框架抗连续倒塌性能的影响。

2　分析模型和分析方法

2.1分析模型

本文选取一10层钢框架，底层层高5m，其余层层高4m，纵横向间距均为6m。纯钢框架为模型一，在2层满跨设置X形支撑为模型二。构件的截面尺寸见表1。模型一用钢量为941.7t，模型二用钢量为983.25t。

表1　框架截面尺寸

模型的结构平面简图如下图所示。为便于分析对比，将框架柱、纵梁、横梁以及节点分别编号为：Ci,j,k，LBi,j～j+1,k,以及Ji,j,k，其中i代表结构的第i层框架，其取值范围为1～10；j代表横向轴线的编号次序，其取值范围为a～f；而k则表示纵向轴线的编号，其取值范围为1～6。

2.2分析方法

《混凝土结构设计规范GB50010-2010》[2]中提出了防连续倒塌设计可采用的方法有：局部加强法、拉结构件法、拆除构件法；美国GSA2003关于拆除构件法的规定为，假定瞬时“移除”建筑首层一根或几根关键竖向承重构件来模拟偶然事件对结构的直接影响，以评估剩余结构是否具备抵御连续性倒塌的性能[3]。本文选用拆除构件法，通过SAP2000软件模拟拆除模型的构件C1,a,1、C1,c,3两种工况来分析X形支撑对钢框架抗连续倒塌性能的影响。

3　分析对比

3.1分析准备

GSA2003指南对线性静力分析方法，以需求能力比(DCR)作为线弹性分析的破坏准则。

式中:QUD-突发事件发生时件构件承受的作用(弯矩、轴力、剪力等)，由线性静力分析求得；QCE-构件预期的极限能力。

静力分析时，移除构件周边竖向荷载应考虑动力增大系数：

式中DL-恒载标准值；LL-活载标准值。

3.2工况一时两模型抗连续倒塌性能的比较

移除角柱C1,a,1，在与C1,a,1直接相连的区域以及上部区域施加荷载2(DL+0.25LL)，其它区域施加荷载(DL+0.25LL)，然后对两模型进行分析，并提取与移除构件相连梁的内力、变形。

表2　工况一与移除构件相连梁的弯矩值及DCR

从表2可知，支撑可以显著减少与移除构件相连梁的弯距值，模型一的DCR均大于0.5，而模型二的DCR均小于0.3；设置支撑后梁的左端弯距由正值变为负值，正弯矩最大值移到跨中，为51.52 kN·m，远小于未设置支撑梁的370.72kN·m。

移除柱C1,a,1后，原来由C1,a,1承担的轴力转移到周边柱，柱C2,a,1、C3,a,1的轴力变化也较大，结合未移除构件时对两种模型的分析，轴力变化如表3所示。

表3　工况一移除构件周边柱的轴力值

由表3可知，相邻柱C1,a,2、C1,b,2的轴力增大为原来的2倍以上，C1,b,2的增大为原来的1.5倍左右，两模型均如此，相差不大；但模型一C1,a,2、C1,a,3轴力急剧减小，而模型二的C2,a,1，轴力减小为原来的0.5倍左右，C3,a,1的轴力反而有所增大，说明设置支撑后，二层以上的角柱能够分担一定的竖向荷载。

此外，模型一在移除角柱C1,a,1后，节点J1,a,1的竖向位移为89.84mm,而设置支撑后能显著减小J1,a,1的竖向位移，仅为36.24mm。

3.3工况二时两模型抗连续倒塌性能的比较

移除内柱C1,c,3，在与C1,c,3直接相连的区域及上部区域施加荷载2(DL+LL)，其它区域施加荷载(DL+LL)，分别对两模型进行分析，并提取内力、变形。与移除构件直接相连梁LB1,b～c,3、LB1,c～d,3、CB1,c,2～3以及CB1,c,3～4弯距变化较大，分析结果如表4所示。

表4　工况二与移除构件相连梁的弯矩值及DCR

从表4可知，两模型中与移除构件相连梁的弯距变化很大，远离移除构件端弯矩要大于靠近移除构件端，模型一中，两者的比在1.5倍左右，模型二中，两者的比在8倍左右；设置支撑后，可以显著减少与移除构件相连梁的弯距值，正弯矩最大值移到跨中。

移除柱C1,c,3后，原来由C1,c,3承担的轴力，转移到周边柱，柱C2,c,3、C3,c,3的轴力也发生较大变化，结合未移除构件时对两种模型的分析，轴力变化如表5所示。

表5　工况二移除构件周边柱的轴力值

移除内柱C1,c,3后，其轴力主要由C1,c,2、C1,b,3、C1,d,3、C1,c,4分担，轴力增加3000KN左右；设置支撑后，轴力的分布要更均匀；模型一柱C2,c,3、C3,c,3轴力急剧减小，而模型二的二层柱C2,c,3，轴力减小为原来的0.6倍左右，三层柱C3,c,3的轴力为原来的1.6倍左右，说明设置

支撑后，移除柱二层以上的柱能够分担一定的竖向荷载。此外，模型一在移除内柱C1,c,3后，节点J1,c,3的竖向位移为106.42mm,而设置支撑后能显著减小J1,c,3的竖向位移，仅为32.42mm。

4　结论

本文通过SAP2000分析软件对模型一和模型二进行了抗连续倒塌性能的分析和比较，得出以下结论：

两模型的DCR值均小于2，但设置支撑后DCR值显著减小，结构的抗连续倒塌安全储备更大；移除构件后，与模型一相比，模型二中与移除构件相连梁的弯距变化幅度明显偏小；移除构件周边柱的轴力更加均匀，而且设置支撑后移除构件以上的柱能够分担部分竖向荷载；模型二在移除构件上端的竖向位移仅为模型一的0.3倍左右。

模型二的用钢量（983.25t）仅比模型一的用钢量（941.75t）增加4.4%，对工程造价的影响不大，通过合理设置的X形支撑可以对钢框架的抗连续倒塌起到一定的作用。

参考文献：

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

[2]GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2011.

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