多道抗震防线下高层建筑连续抗倒塌性能分析

李敏

【摘    要】：为提升高层建筑结构的稳定性，研究基于多道抗震防线的高层建筑连续抗倒塌性能。选取建筑结构试件，计算试件节点域屈服承载力与极限承载力，判断建筑结构抗震能力，计算建筑结构弹性模量，获取高层建筑结构连续抗倒塌性能相关系数，判断连续抗倒塌性能。研究结果表明：高层建筑在受到破坏时，受损框架抗剪承载力与完整框架之间的差异性较小，当最大基底剪力在耗能梁段遭受破坏时，屈服型耗能梁段框架抗剪承载力会相应升高，框架遭受破坏对高层建筑结构支撑框架抗剪承载力影响较低。

【关键词】：抗震防线；高层建筑；连续抗倒塌性能

【中图分类号】：TU973.31【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）02-62-03

【DOI编码】：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

随着经济的发展及建筑技术的进步，高层建筑数量不断增多。与低层建筑相比，高层建筑结构在抗震性能与连续抗倒塌性能方面要求更加严格[1]。高层建筑连续倒塌，指的是由于結构局部失效引发的结构构件间的破坏传递，最终导致整个高层建筑出现倒塌[2]，具有不成比例与连续两个特性[3]。连续性体现在高层建筑破坏的传递；不成比例性体现在建筑结构遭受破坏的程度[4]。高层建筑连续倒塌的直接原因是受力构件失效，导致构件内力释放速度加快、重分布现象严重，对社会经济与生命安全造成重大威胁[5]。本文以实际工程为例，提出了基于多道抗震防线的高层建筑连续抗倒塌性能研究。

1 工程概况

某多功能建筑整体高度70 m；主要为主钢塔与连廊钢结构，在建筑结构及性能要求方面十分严格，对于抗震性能及连续抗倒塌性能的要求较高。

2 研究方法及过程

基于多道抗震防线对高层建筑连续抗倒塌性能进行试验。采用 6 个梁柱结构试件，节点采用全焊或栓焊的方式，基于多道抗震防线的原理与建筑抗震设计规范，保证试件双侧节点上翼缘衬板的构造一致[6]。试件的全焊节点采用腹板双面角焊缝连接的形式，控制全焊节点的间隙在8.5 mm以内，焊脚尺寸＜6.5 mm，钢柱节点域加劲肋厚度不超过 12.5 mm。参考高层建筑抗震设计规范，计算试件节点域屈服承载力[7]。

[?Mp1+Mp2/Vp≤4fyv3] （1）

式中：[?]为建筑结构抗震折减系数；[Mp1]、[Mp2]分别为钢柱两侧钢梁试件的截面弯矩；[Vp]为试件节点域体积；[fyv]为建筑结构钢材的抗剪屈服强度。

计算高层建筑结构中试件节点域区域承载力。

[Mu≥ηMp] （2）

[Vu≥2×2Mp/ln+Vb] （3）

式中：[Mu]为试件节点的极限受弯力；[Vu]为试件节点的受剪承载力；[η]为试件结构之间的连接系数；[Mp]为试件钢梁的受弯承载力；[ln]为钢梁的跨度距离；[Vb]为试件在重力荷载作用下的剪力值。

预先假定试件的塑性铰位置，通过强度验算高层建筑结构的抗震性能。控制塑性铰的梁内非节点位置，调节节点强度的延性，综合考虑试件热切割误差，在试件焊孔加工方式上选择线切割的方式，将热切割精度控制在0.25 mm以内。移除下翼缘的衬板，添加补强角焊缝；为了对比效果，均在试件的左侧节点添加补强角焊缝，试件右侧节点保持不变。为防止梁端破坏，采用 24 个 12.6 级 T18 高强摩擦型的螺栓，连接在刚性底座的端口处，固定铰支约束，避免抗剪承载力出现滑移的情况。见表 1。

在高层建筑结构中安装结构测速仪，为连续抗倒塌性能的研究提供数据信号。利用结构图形交互软件，对高层建筑结构进行动态分析，提供结构采集频率。结合压电传感器与加速度传感器测量试验机的锤头，固定锤头电阻的闭合线圈，挤压压电材料，获取电荷信号的变化情况。根据高层建筑结构金属材料拉伸试验的相关规定，对建筑结构材料进行静力拉伸试验，测试内容主要包括高层建筑结构材料的屈服程度、伸长率、弹性模量与抗拉强度。见表 2。

对高层建筑结构的连续抗倒塌性能进行冲击试验，采用应变式传感器对高层建筑进行标定校核，获取冲击试验下建筑结构传感器信号的吻合程度，判断高层建筑结构受背噪影响是否存在信号平滑过渡的情况。基于多道抗震防线的原理，为控制高层建筑冲击试验的应变率，保证应变率的精准度，采用重锤冲击的方式破坏高层建筑结构，以获取建筑结构试件的极限承载状态，进而确定高层建筑连续抗倒塌能力并作出相应的抗倒塌性能评估。

建筑结构静态性能测试结束后，对建筑结构进行动态试验，获取更加精准的试件形态变化情况。首先，基于试件位移的破壞原则，建立有限元模型，模拟建筑结构的破坏冲击能，增设多道抗震防线，共同组成抗震体系，选取延性较高的结构构件，在结构构件之间建立连接，控制抗震体系中的外部赘余度，建立抗震屈服区，吸收建筑结构振动产生的能量，提高高层建筑结构的修复能力。

3 研究结果

计算基于多道抗震防线的高层建筑连续抗倒塌强度指标。对建筑中的6个梁柱试件进行编号，分别为 Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6，基于单因素变化参数获取高层建筑钢结构抗压强度 f1、劈裂抗拉强度f2与轴心抗压强度f3。见表 3。

为进一步分析高层建筑连续抗倒塌性能，判断当部分梁柱损坏时，各强度指标变化之间的关系。见图1。

由图1可知，在梁柱发生损坏时，高层建筑方体的抗压强度、劈裂抗压强度及轴心抗压强度均呈下降趋势。结合弹性模量，判断高层建筑结构的弹性应力与应变关系。

[Ec=（Fa-F0）L/（A×Δn）] （4）

式中：[Ec]为建筑结构弹性模量；[Fa]为棱柱体抗压时的荷载；[F0]为棱柱体抗压的初始荷载；[L]为测量标距；[Δn]为试件抗压过程中变形的平均值；[A]为试件抗压荷载系数。

通过计算弹性模量，获取高层建筑结构连续抗倒塌性能相关系数。见表 4。

由表 4 可知，高层建筑在受到破坏时，受损框架抗剪承载力与完整框架之间差异性较小，当最大基底剪力在耗能梁段遭受破坏前，屈服型耗能梁段框架抗剪承载力会相应升高，框架遭受破坏对高层建筑结构支撑框架抗剪承载力影响较低，当遭受非常规破坏时，建筑支撑框架才会出现失效，建筑结构承载力会相应下降。试验证明，高层建筑在多道抗震防线下，连续抗倒塌性能较高。

4 结语

结合静态与动态分析的方法，对建筑结构的相关性能、参数、承载力进行分析，获取了高层建筑试件的抗倒塌能力。在常规破坏情况下，基于多道抗震防线的高层建筑的连续抗倒塌性能较高，遭受破坏对建筑结构支撑框架抗剪承载力影响较低。

参考文献：

[1]裴笑娟，康帅，张昊. 支撑布置形式对RC框架结构的抗震性能影响[J]. 河南大学学报（自然科学版）， 2022，52（1）：110-119.

[2]姜健，吕大刚，陆新征，等. 建筑结构抗连续性倒塌研究进展与发展趋势[J]. 建筑结构学报， 2022，43（1）：1-28.

[3]周晓夫，康艳博，张荣强，等. 近现代建筑及抗震技术发展与现代建筑发展趋势综述[J]. 建筑科学，2021， 37（1）：114-120.

[4]潘珠峰，杨健，王斐亮，等. 典型连接节点对钢框架抗连续倒塌性能影响研究进展[J]. 建筑结构，2020，50（24）：11-18.

[5]简斌，李东泽，林元，等. 一级抗震预应力型钢混凝土空腹桁架转换层框架结构三道防线抗震设防设计方法[J]. 建筑结构学报，2021，42（1）：57-66.

[6]陈勇，简斌，龚春玉. 竖向及水平地震作用下PSRC空腹桁架转换结构抗震性能分析[J]. 土木与环境工程学报（中英文），2020，42（3）：64-72.

[7]胡超，黄慎江. 大跨度预应力混凝土框-剪结构抗连续倒塌性能仿真研究[J]. 工程与建设，2019，33（5）：744-749.