楼板对RC框架抗连续性倒塌性能分析

郭清娟++鲁诗刊

摘要：随着经济的发展，由突发事件造成的连续性倒塌事故越来越多，经过很长一段时间的研究，国外学者已取得了突破性的进展。然而为了计算模型的简化，很多人在研究过程中往往忽略了楼板对抗连续性倒塌的影响。本文利用非线性静力分析法，基于拆除构件法，对一六层规则的框架结构进行分析，通过研究结构的位移及内力，进一步探讨楼板对结构抗连续性倒塌的有利影响。

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.

关键词：楼板；连续性倒塌；非线性静力分析

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

中图分类号：TU375.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）12-0095-03

0 引言

随着经济的发展和城市化进程的加快，由煤气爆炸、飞机撞击、火灾等意外事故造成的连续性倒塌事件不断增多，对人民生命财产安全的损失已经不容忽略。从1968年伦敦Ronan Point公寓楼倒塌事件，到1995年美国俄亥俄州Alfred P. Murrah联邦大厦倒塌事件，再到2001年纽约世贸中心大楼倒塌事件，国外对抗连续性倒塌的研究经历了三个重要阶段，取得了丰硕的成果。我国关于连续性倒塌的研究成果比较有限，规范中虽有涉及，但是也仅仅提出一些简单的设计原则和要求，因此对于抗连续性倒塌课题的研究迫在眉睫。

目前对连续性倒塌问题，国内外规范中提出的一些可行的设计方法多集中于梁与柱方面，对楼板的研究比较少，本文通过研究楼板对抗连续性倒塌的影响，为设计和研究提供一些参考。

1 连续性倒塌的定义

连续性倒塌[1]是指建筑物因意外荷载、突发事件或局部超载等所造成的局部构件破坏，致使相邻构件失效，并引起结构发生连锁反应，使构件的破坏向结构的其他部位不断扩散，并最终导致结构大范围坍塌的现象。

2 抗连续性倒塌的设计方法

目前抗连续性倒塌的设计方法[2，3]主要包括：

①概念设计：即通过增加结构的整体性，加强关键构件，改造构件措施等概念设计方面入手。概念设计只是概念上的一些措施，多依赖于设计人员的经验。

②拆除构件法：拆除构件法主要是按一定规则拆除竖向受力构件，然后利用有限元软件来判定剩余构件的跨越区间的能力。拆除构件法主要依赖于结构的冗余度，冗余度越充分，则结构的抗连续性倒塌的能力越强。

③拉结强度设计：为保证备用路径法或保证结构的整体性，验算构件间的连接强度的方法。

④局部加强法：对结构的关键单根构件进行加强，减少偶然荷载产生的损伤的方法。

3 抗连续性倒塌的分析方法

抗连续性倒塌的分析方法，按照复杂及精确程度，可以分为：线性静力分析，非线性静力分析以及非线性动力分析。其中：

线性静力分析不考虑材料非线性、几何非线性及动力效应，计算速度较快，但是精度不足。在连续性倒塌性能分析过程中，需要引入动力放大系数来考虑倒塌过程中的動力效应。线性静力分析结果偏于保守，一般用于分析10层及以下的建筑。

非线性静力分析考虑材料非线性、几何非线性，但是不考虑动力效应，采用逐步加载的方式，耗时比较长，计算结果较线性静力分析更精确。非线性静力分析因不能满足结构动力需求，仍然需要引入放大系数考虑连续性倒塌过程中的动力效应。一般用于10层以上较为规整的结构。

非线性动力分析：连续性倒塌的危害主要在于意外荷载短时间内造成的冲击作用，非线性动力分析考虑材料、几何非线性以及荷载与时间关系，计算结果最为精确。

4 荷载组合

各国抗连续性倒塌的规范所采用的荷载组合方式不同，主要包括：

①美国DoD2005规范规定：

采用静力荷载分析[4]时，在移除构件所在跨及其上方区域所采用的荷载组合为：

2×[（0.9or1.2）D+（0.5Lor0.2S）]+0.2W

其余部分施加的荷载为：

[（0.9or1.2）D+（0.5Lor0.2S）]+0.2W

式中D—恒荷载标准值；L—活荷载标准值；S—雪荷载标准值；W—风荷载标准值；2为动力放大系数。

②美国GSA2003设计指南规定：

采用静力分析：2×（DL+0.25LL）

采用动力分析：DL+0.25LL

式中DL—恒荷载标准值；LL—活荷载标准值。

本文基于拆除构件法，利用非线性静力分析法对一六层框架结构进行抗连续性倒塌性能分析。

5 算例分析

①总信息。

如图1所示为一6层钢筋混凝土框架结构，x方向与y方向的跨度均为6000mm，楼层高度为3600mm，设计地震分组为第一分组，设防烈度为7度，抗震等级为三级，场地类别为二类。楼面恒荷载为5.0kN/m2，楼面活荷载为2kN/m2，屋面恒荷载为5.0kN/m2，屋面活荷载为2.0kN/m2，沿各梁轴线均匀布置厚度为200mm，容重为10kN/m3的空心砌块。采用150mm厚的现浇钢筋混凝土楼板。

利用PKPM得到的截面尺寸及配筋状况如表1和表2。

②分析方法。

本文利用sap2000软件，基于GSA2003设计指南，采用非线性静力分析方法分别移除边跨的中间柱和角柱来实现初始破坏。并对移除柱相邻跨及上方区域考虑动力放大系数2的荷载组合，对于其他区域不考虑动力放大系数。图2为移除边跨的中间柱与角柱时荷载组合需要考虑动力放大系数的范围。

利用sap2000分析过程中，在框架梁和柱中插入集中塑性铰来考虑非线性的影响。其中框架梁两端和中间指定采用M3铰，在框架柱的两端指定P-M2-M3铰。将移除柱顶端设为监测点，通过观测监测点的位移来研究楼板对抗连续性倒塌的影响。

实验结果如表3所示。

由表3中可以看出：

1）当考虑楼板时，监控点的竖向位移显著减小，这个是因为楼板作为结构重要的水平构件，当拆除某根柱子后，楼板中的钢筋网可以产生双向拉结作用，形成拉膜效应，提供向上的拉力，并且可以提高结构的整体性，有效地将荷载分散到结构的其他部位，从而减小监控点处的位移。不考虑楼板时，水平方向上，荷载完全由梁传递，当梁无法承担荷载发生破坏后，可以通过剩余钢筋的拉链作用将该部分荷载传递到相邻的梁和柱上，但是此作用要小于楼板的作用。

2）拆除角柱所产生的竖向位移要小于拆除中柱所产生的竖向位移，这个是因为角柱承担该楼板1/4的荷载，而边跨的中柱承担该楼板1/2的荷载，因此意外荷载发生在中柱所引起的连续性倒塌后果比发生在角柱所引起的后果更严重。

3）楼板对拆除中柱比对拆除角柱产生的作用更明显，这是因为角柱部分的楼板仅在一个方向上提供双向拉结作用，而中间柱部分的楼板可以在两个方向上都提供双向拉结作用。

6 结论

楼板可以通过钢筋网的双向拉结作用显著提高结构的抗连续性倒塌性能。结构中可以通过采用现浇钢筋混凝土楼板以及适当提高楼板钢筋的配筋率来提高抗连续性倒塌性能。

楼板对拆除中柱时抗连续性倒塌性能的提高要强于拆除角柱时抗连续性倒塌性能的提高。

中柱破坏所引起的结构竖向位移要大于角柱破坏所引起的竖向位移，因此就抗连续性倒塌性能而言，需要适当加强中柱，减少意外荷载所引起的损伤。

参考文献：

[1]兰林.钢筋混凝土框架爱基于拆除构件法的抗连续性倒塌性能分析[D].广西大学，2013.

[2]陆新征，李易，叶列平，等.钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌设计方法的研究[J].工程力学，2008，25（S2）：150-157.

[3]李易，陆新征，叶列平，等.结构抗连续倒塌的拉结强度设计方法[C].第十届全国混凝土结构基本理论及工程应用學术会议，2008：391-396.

[4]左文武.楼板的对混凝土框架结构抗连续性倒塌性能的影响[D].兰州理工大学，2014.