CN103924663B - 一种提高rc框架结构抗连续倒塌能力的设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高RC框架结构抗连续倒塌能力的设计方法属于建筑结构防灾减灾领域。结构抗连续倒塌性能是指整体结构系统抵御局部破坏的能力。结构系统在不同部位的初始局部破坏作用下，其倒塌响应存在差异，但是抗倒塌性能作为整体结构系统的自身特性，应与具体初始破坏无关，因此本方法正是针对目前在衡量整体结构系统抗倒塌性能上存在的局限性而提出的，倒塌比例系数和结构承载力安全系数两个指标是建立在对所有典型局部初始破坏的分析上，与具体初始破坏无关，所以能够反映整体结构的抗连续倒塌性能。最后，针对一栋8层混凝土框架结构，采用这两个计算系数对其进行抗连续倒塌性能的分析，发现基于该系数所设计的工程其防倒塌能力有较明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种从结构系统角度考虑结构抗连续倒塌能力的方法，可以用于帮助提高结构系统整体抗连续倒塌能力，属于建筑结构防灾减灾领域。
背景技术
连续倒塌是指由结构系统内局部小范围的初始破坏所引起的结构系统的大范围倒塌破坏，这种多米诺骨牌式的连锁反应会导致结构的严重破坏甚至整个结构发生倒塌，从而造成大量的人员伤亡和财产损失，所以针对结构抗连续倒塌性能的设计至关重要。结构抗连续到结构抗连续倒塌性能是整体结构系统抵御局部破坏的能力，而提高结构抗连续倒塌性能的方法有很多，这些方法都有各自不同的衡量指标。从力学角度来看，有失效概率、耗能能力、自振频率、应变能、内力、刚度等指标，虽然能通过改变这些指标来提高结构的抗连续倒塌能力，但是这些指标与是否发生倒塌破坏没有直接关系且和初始局部破坏的选择直接相关，具有特殊性，因而不能直观地反映结构的连续倒塌后果和抗连续倒塌能力，而且没有考虑到整体结构系统间的相互作用，因此基于这些指标对工程结构进行抗连续倒塌设计并不能全面有效的提高整体结构系统的抗连续倒塌能力。
发明内容
为了全面有效的提高结构的抗连续倒塌能力，本发明提出了一种基于计算系数（倒塌比例系数和承载力安全系数）提高整体结构抗连续倒塌性能的设计方法。该设计方法从结构系统整体出发，提出了有效衡量连续倒塌风险和连续倒塌抗力的系数指标，对结构系统从定性和定量两个角度进行分析，不仅能从整体上对结构的抗倒塌性能进行判断，还可以更直接的提高整体结构系统抵御局部破坏的能力，并且这两个系数是建立在对所有典型局部初始破坏的分析基础上，不依赖于某一个特定拆除工况，具有普遍适用性。
本发明的技术方案是：通过建立整体结构的非线性模型，采用非线性动力拆除分析方法和非线性静力Pushdown分析，根据本发明所提出的倒塌比例系数和承载力安全系数的计算公式，计算出这两个系数来综合反映结构的抗连续倒塌性能，当发现结构的抗连续倒塌性能不强时，通过增加结构的冗余度，加强结构延性和增强结构整体性等措施来提高其抗连续倒塌能力。
基于倒塌比例系数的抗连续倒塌性能设计方法所采用的步骤如下：
a、针对之前所提出的以结构发生连续倒塌的概率P[Collapse]来衡量结构的抗连续倒塌性能，其中P[Collapse]表示为意外发生的概率P[H]、局部初始破坏发生的条件概率P[D/H]和连续倒塌发生的条件概率P[Collapse/D]的乘积，即P[Collapse]=P[Collapse/D]P[D/H]P[H],当不考虑构件初始破坏概率而仅考察连续倒塌发生的条件概率P[Collapse/D]时，其中假设P[D/H]P[H]=1，这时倒塌比例系数Pc表示为：Pc=nc/n，其中，nc表示发生连续倒塌的工况数量，n表示总拆除构件工况数量；
b、当考虑构件初始破坏概率时，在这种情况下，可以在倒塌比例系数中进一步考虑局部构件在偶然荷载下发生破坏的概率，即P[D/H]P[H]，这时倒塌比例系数Pc'表示为：Pc'=∑(Ici×nci)/∑(Ij×nj)，其中，Ici表示第i个发生连续倒塌的代表性工况的构件初始破坏概率，nci表示在结构中该类构件的数量；Ij表示结构中第j个代表性工况的构件初始破坏概率，nj表示结构中该类构件的数量。
基于承载力安全系数的抗连续倒塌性能设计方法所采用的步骤如下：
a、倒塌比例系数基于的非线性动力拆除构件分析只有倒塌和未倒塌两种分析结果，在特别情况下，当两个结构方案的倒塌比例系数值接近时，仅依靠这一个系数则不能完全反映两个结构的抗连续倒塌性能水平，而通过非线性静力pushdown方法能够得到结构在不同初始破坏下的最大抗连续倒塌承载力，在其基础上可以得到提高整体结构系统的连续倒塌抗力指标；
b、然后计算得出每个工况下结构的相对承载力R，与其相应工况下最低相对承载力需求的关系来反映结构的连续倒塌抗力水平，于是将每个拆除工况的抗连续倒塌承载力安全系数RIc定义为每个工况相对承载力R与其最低相对承载力需求Rmin-req之比，即RIc=R/Rmin-req，当承载力安全系数大于1时，表示结构未发生连续倒塌，并且其大于1的部分即为冗余的承载力储备；当承载力安全系数小于1时，表示结构发生连续倒塌，并且其小于1的部分即为缺少的承载力。
c、基于每个工况下的承载力安全系数，可以定义整体结构的抗连续倒塌承载力安全系数RIs为所有工况的抗连续倒塌承载力安全系数RIc的加权平均，即RIs=∑(RIci×ni)/∑ni，其中，ni表示第i工况所代表的结构系统内的典型部位数量。
本发明的优点是：倒塌比例系数反映结构连续倒塌的风险，抗连续倒塌承载力安全系数反映结构的抗连续倒塌承载力水平。当采用两者共同进行结构抗连续倒塌性能设计时，能够综合考虑倒塌后果和提高结构抗倒塌需求。
附图说明
图1是用来证明本发明方法算例的典型RC框架透视图；
图2表示该框架的结构标准层平面图及所拆除柱示意图；
图3表示不考虑构件初始破坏概率的结构倒塌比例系数；
图4表示考虑构件初始破坏概率的结构倒塌比例系数；
图5表示该框架的承载力储备；
图6表示该框架算例的承载力安全系数对比。
具体实施方式
如图1、图2所示，采用非线性动力拆除分析方法和非线性静力Pushdown方法分别对该框架（共6个）在每个楼层四个典型部分柱发生破坏后的结构力学响应进行了分析，分别得到了倒塌结果（是否发生连续倒塌）和抗倒塌承载力曲线，然后基于所提出的倒塌比例系数和承载力安全系数对这些结果进行分析，具体实施步骤如下：
1.采用在不考虑构件初始破坏概率的倒塌比例系数计算公式（Pc=nc/n）分析该框架在非线性动力拆除分析方法下的结果，可以得出三种不同抗震设防烈度下非整体现浇楼板框架与整体现浇楼板框架的倒塌比例系数，其结果如图3所示，发现抗震设防烈度越高的框架，整体现浇楼板的框架其抗连续倒塌能力更强；
2.当考虑构件初始破坏时，通过参考现有规范GSA2003和DoD2010中所涉及到的拆除框架结构中不同柱构件相对重要性程度的有关规定，得出一组在框架结构体系内构件重要性的排序，即底层外围柱>底层内部柱>上部外围柱>上部内部柱，然后再通过设定两组相对失效概率序列A和B，其中B组是在A组基础上提高了外围框架柱的相对失效概率，利用公式Pc'=∑(Ici×nci)/∑(Ij×nj)计算结构倒塌比例系数，其结果如图4所示，发现当考虑了外围柱初始破坏概率相对较大的影响后，除了倒塌工况特别多（六度和七度非整体现浇板框架）和特别少（八度整体现浇板框架）算例外，其他不同设防抗震烈度的框架倒塌率都所提高；
3.采用非线性静力Pushdown方法分析求得该算例在不同初始破坏下的最大抗连续倒塌承载力，其结果如图5所示，然后利用公式RIc=R/Rmin-req计算求得每个拆除工况下抗连续倒塌承载力安全系数，再对其进行加权平均，即RIs=∑(RIci×ni)/∑ni，得到结构的抗连续倒塌承载力安全系数，其结果如图6所示，发现整体现浇楼板框架的承载力安全系数明显大于非整体现浇楼板框架；
4.结合这两个计算系数对比结构抗连续倒塌性能，综合考虑倒塌后果。以该8层框架为例，按八度设防烈度设计的非整体现浇板框架和按六度设防烈度设计的整体现浇板框架相比，具有非常接近的抗连续倒塌承载力安全系数，但是后者比前者的倒塌比例系数高很多，这表明面对局部破坏时，后者更容易发生连续倒塌，因此综合评价前者的抗连续倒塌性能优于后者。
5.最后将用本文方法设计抗连续倒塌的结构与普通方法设计的结构结果进行连续倒塌性能对比，可以发现用本文方法设计结构的抗连续倒塌性能明显优于普通设计方法结果。结论表明，采用基于计算系数提高结构抗连续倒塌能力的设计方法可以帮助提高结构的抗连续倒塌性能。
Claims (1)
1.一种提高RC框架结构抗连续倒塌能力的设计方法，其特征在于：
通过建立整体结构的非线性模型，采用非线性动力拆除分析方法和非线性静力Pushdown分析，根据以下所提出的倒塌比例系数和承载力安全系数的计算公式，计算出这两个系数来综合反映结构的抗连续倒塌性能，当发现结构的抗连续倒塌性能不强时，通过包括增加结构的冗余度，加强结构延性或增强结构整体性的措施来提高其抗连续倒塌能力；
基于倒塌比例系数的抗连续倒塌性能设计方法所采用的步骤如下：
a、针对之前所提出的以结构发生连续倒塌的概率P[Collapse]来衡量结构的抗连续倒塌性能，其中P[Collapse]表示为意外发生的概率P[H]、局部初始破坏发生的条件概率P[D/H]和连续倒塌发生的条件概率P[Collapse/D]的乘积，即P[Collapse]=P[Collapse/D]P[D/H]P[H],当不考虑构件初始破坏概率而仅考察连续倒塌发生的条件概率P[Collapse/D]时，其中假设P[D/H]P[H]=1，这时倒塌比例系数Pc表示为：Pc=nc/n，其中，nc表示发生连续倒塌的工况数量，n表示总拆除构件工况数量；
b、当考虑构件初始破坏概率时，在这种情况下，在倒塌比例系数中进一步考虑局部构件在偶然荷载下发生破坏的概率，即P[D/H]P[H]，这时倒塌比例系数Pc′表示为：Pc'=∑(Ici×nci)/∑(Ij×nj)，其中，Ici表示第i个发生连续倒塌的代表性工况的构件初始破坏概率，nci表示在结构中该类构件的数量；Ij表示结构中第j个代表性工况的构件初始破坏概率，nj表示结构中该类构件的数量；
基于承载力安全系数的抗连续倒塌性能设计方法所采用的步骤如下：
a、倒塌比例系数基于的非线性动力拆除构件分析只有倒塌和未倒塌两种分析结果，在特别情况下，当两个结构方案的倒塌比例系数值接近时，仅依靠这一个系数则不能完全反映两个结构的抗连续倒塌性能水平，而通过非线性静力pushdown方法能够得到结构在不同初始破坏下的最大抗连续倒塌承载力，在其基础上得到提高整体结构系统的连续倒塌抗力指标；
b、然后计算得出每个工况下结构的相对承载力R，与其相应工况下最低相对承载力需求的关系来反映结构的连续倒塌抗力水平，于是将每个拆除工况的抗连续倒塌承载力安全系数RIc定义为每个工况相对承载力R与其最低相对承载力需求Rmin-req之比，即RIc=R/Rmin-req，当承载力安全系数大于1时，表示结构未发生连续倒塌，并且其大于1的部分即为冗余的承载力储备；当承载力安全系数小于1时，表示结构发生连续倒塌，并且其小于1的部分即为缺少的承载力；
c、基于每个工况下的承载力安全系数，定义整体结构的抗连续倒塌承载力安全系数RIs为所有工况的抗连续倒塌承载力安全系数RIc的加权平均，即RIs=∑(RIci×ni)/∑ni，其中，ni表示第i工况所代表的结构系统内的典型部位数量。
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