CN106407552A - 一种提升rc框架核心筒结构防倒塌能力的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提升RC框架核心筒结构防倒塌能力的设计方法，（1）根据既定条件对RC框架核心筒结构进行常规设计，得到初始模型；（2）选择具体一个框架柱或剪力墙关键部位做失效处理，运用有限元软件LS‑DYNA对整体结构进行静力响应分析，评估其倒塌状态；（3）若步骤（2）中框架核心筒结构并未发生倒塌，继续施加动力荷载，进行倒塌全过程分析并评估其倒塌状态；（4）对其余关键部位重复步骤（2）‑（3），以得到每个关键部位处于失效状态后的框架核心筒结构的响应，并对其进行倒塌评估；（5）对RC框架核心筒结构进行性能设计，提高其防连续倒塌能力。该方法通过倒塌全过程分析可以直观清晰地判断框架核心筒结构是否发生倒塌破坏，而不需要借助倒塌判别准则，同时可以了解倒塌机理并基于此进行防倒塌设计。

Description

一种提升RC框架核心筒结构防倒塌能力的设计方法

技术领域

本发明涉及一种提升RC框架核心筒结构防倒塌能力的设计方法，属于土木工程结构防倒塌设计领域。

背景技术

自从1968年英国Ronan Point Apartment Tower发生倒塌，工程师逐渐开始重视由于高层建筑局部失效构件引起的连续倒塌现象。实际中结构的局部构件在地震、撞击、火灾或意外因素（如恐怖袭击）等作用下不可避免地会发生破坏，从而使结构整体性受到影响，此时结构是否能保持一定的承载能力而不发生连续倒塌尤为重要。当建筑仅有局部构件失效而未发生整体倒塌时，如果在来不及进行修复的情况下再次经历灾难荷载，此时结构的抗倒塌性能如何更值得关注。

框架核心筒结构是将承担大部分竖向荷载的外围梁柱框架和承担大部分水平荷载的中间筒体两种结构共同组合在一起形成的结构体系，既有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，是高层建筑中抵抗地震、风荷载引起的侧向力作用的一种有效结构形式。高层建筑的抗震分析，特别是抗倒塌分析对整个社会抗震防灾非常重要。然而，对于框架核心筒这类体型较大的高层建筑，倒塌研究受制于研究手段与设备，其结构防倒塌设计很大程度上完全依赖于震害经验总结和近似计算分析，缺少对机理的深入理解和认识。

因此，本发明提出一种提升RC框架核心筒结构防倒塌能力的设计方法，选用大型显式有限元软件LS-DYNA对其进行静力及动力荷载下的倒塌分析。分析RC框架核心筒结构的破坏机理和倒塌破坏全过程，可以更好地指导结构防倒塌设计，对于避免结构坍塌、减轻灾难荷载下的人员伤亡具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种提升RC框架核心筒结构防倒塌能力的设计方法。该设计方法引入失效构件，从倒塌全过程模拟出发，直观清晰地判断框架核心筒结构在关键部位失效后，在静力及动力荷载下是否发生倒塌破坏，分析响应时程曲线、杆件受力状态、整体破坏形态、局部失效情况，探索倒塌机理，并基于此有针对性地进行结构的防倒塌设计。

本发明提出的一种提升RC框架核心筒结构防倒塌能力的设计方法，具体步骤如下：

（1）：根据既定条件对RC框架核心筒结构进行常规设计，得到初始结构模型；根据现有规范及抗震要求，对所得初始结构模型中的梁、柱、板及剪力墙结构进行配筋设计；

（2）：选择初始结构模型中一个具体的柱或剪力墙结构等关键部位做失效处理，运用有限元软件对整个初始结构模型进行静力响应分析，评估其倒塌状态；

具体为：根据现代结构设计中存在较多的不规则结构，且灾害调查显示RC框架核心筒结构遭遇地震、撞击、火灾或者恐怖袭击等意外因素时首先出现破坏的多为竖向受力构件，采用拆除构件法沿初始结构模型的外围护对结构的长边中柱、短边中柱、角柱或剪力墙逐一拆除；运用有限元软件对失效前的初始结构模型进行计算，得到失效构件所承受的力，并将此力线性缓慢减小至零以模拟该构件的失效；运用有限元软件LS-DYNA对引入失效构件后的结构模型进行分析求解，通过动画观察框架核心筒结构是否发生倒塌，并分析节点位移、构件受力情况，进而探索倒塌机制；

（3）：若步骤（2）中框架核心筒结构并未发生倒塌，继续施加动力荷载，进行倒塌全过程分析，获得响应时程曲线、杆件受力状态、整体破坏形态和局部失效情况等信息，评估倒塌性能；

（4）：对步骤（1）得到的初始结构模型其余关键部位重复步骤（2）-（3），以得到其余每个关键部位处于失效状态后框架核心筒结构的响应，并对其进行倒塌评估；

（5）：进行RC框架核心筒结构防连续倒塌设计；

如果框架核心筒结构在拆除某构件之后发生了倒塌，则通过增加剩余构件的强度来避免倒塌，考虑设置“二道防线”，即增强框架核心筒结构的冗余度，提供有效的备用传力路径；如果一个构件无法找到替代路径，则应设计使其具有足够的强度，能在一定程度上抵御意外荷载作用。

本发明中，选用大型显式有限元软件LS-DYNA进行RC框架核心筒结构的倒塌全过程分析，显式有限单元法的求解基于动力学方程，具有较好的稳定性，这种方法既可以比较准确模拟结构倒塌前的力学性能，又能够处理结构的大位移，大转动。

本发明中，基于倒塌全过程分析进行防倒塌能力设计，可以直观清晰地判断结构是否发生倒塌，而无需借助于倒塌判断准则。

本发明中，利用显式有限元软件LS-DYNA分析时，需要综合考虑计算精度与计算效率，RC框架核心筒结构选用组合式模型，假定钢筋与混凝土之间不产生滑移，建立初始结构模型时分别考虑钢筋和混凝土两种材料的本构关系；采用纤维梁单元模拟梁、柱构件及核心筒的边缘构件，采用分层壳单元模拟板和墙构件，综合考虑计算精度与计算效率，确定纤维梁和分层壳单元截面的划分情况；材料特性采用非线性模型；失效准则根据材料的性质设定。

本发明中，所述动力荷载为地震、台风、爆炸或火灾灾难荷载中任一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）经静力试验及振动台试验验证，运用LS-DAYNA有限元软件基于显式动力学原理进行RC框架核心筒结构的倒塌分析具有准确性及可靠性。

2）基于倒塌全过程分析进行结构的防倒塌能力设计，可以直观清晰地判断结构是否发生倒塌，而无需借助于倒塌判断准则。

3）结合拆除构件法及倒塌全过程分析，可以了解结构的倒塌顺序、倒塌机理，明确结构各部分所起的作用，有助于有针对性的进行防倒塌设计。

附图说明

图1是本发明流程示意图；

图2是用来证明本发明方法算例的典型RC框架核心筒结构的平面透视图；

图3为该RC框架核心筒结构的平面图（标注各柱及失效柱C6的位置）和立面图；其中：(ａ)为平面图，(ｂ)为立面图；

图4为该RC框架核心筒结构梁构件布置图；

图5为该RC框架核心筒结构柱及剪力墙的配筋图；其中：（a）为柱配筋，(ｂ)为剪力墙配筋；

图6为采用LS-DYNA有限元软件建立的该RC框架核心筒结构的计算模型；

图7为静力荷载下该RC框架核心筒结构底层柱的轴力-时间曲线；

图8为地震荷载下该RC框架核心筒结构的倒塌过程；其中：（a）为失效柱相邻柱失效，(ｂ)为抗震墙失效，(ｃ)为底层结构失效，(ｄ)为整体结构倒塌；

图9为地震荷载下该RC框架核心筒结构第一层剪力墙和柱的von Mises应力等值线图；其中：（a）为7.5 s，(ｂ)为８.5 s，(ｃ)为8.8 s，(ｄ)为8.9 s。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例１：以某一构件失效为例详细说明本发明的具体实施方式。本发明提升RC框架核心筒结构防倒塌能力的设计方法步骤如下：

步骤（1）：根据既定条件对RC框架核心筒结构进行常规设计，得到初始结构模型。

该结构平面及立面布置情况如图2及图3所示，考虑上海地区7度抗震设防，Ⅳ类场地土，设防抗震分组第一组，不考虑风荷载作用。根据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010，采用PKPM软件进行结构设计与配筋计算。梁构件的布置图如图4所示，表1列出了梁构件的实际配筋情况；柱及剪力墙结构的配筋情况如图5所示；统一采用#22@12.5一层铁丝网作为楼板的配筋钢筋。

表1结构模型的梁构件实际配筋情况

	左受压	受拉区	右受压	箍筋
					KL1	5#18	3#18	1#16+4#18	#18@12.5
KL2	3#18+1#16	3#18	4#18	#18@12.5
					KL3	5#20	3#20+2#18	3#20+2#16	#20@12.5
KL4	4#20	4#20	5#20	#20@12.5
					KL5	3#20+1#18	5#20	3#20	#20@12.5
KL6	1#18+3#20	1#18+3#20	3#20	#20@12.5
					KL7	2#22	2#22	2#22	#22@25
KL8	2#20	2#20+1#22	2#20+2#18	#20@25

步骤（2）：选择具体一个框架柱或剪力墙等关键部位做失效处理，运用有限元软件对整体结构进行静力响应分析，评估其倒塌状态。

选择某一角柱为失效柱如图3(a)中C6所示，运用大型显式有限元软件LS-DYNA建立模型进行分析求解。

综合考虑计算精度与计算效率，RC框架核心筒结构采用组合式模型，即假定钢筋与混凝土之间不产生滑移，建立初始结构模型时分别考虑钢筋和混凝土两种材料的本构；在单元分析时，分别求钢筋和混凝土对单元刚度矩阵的贡献，进而组成复合的单元刚度矩阵。

采用纤维梁单元模拟梁、柱构件及核心筒的边缘构件，采用分层壳单元模拟板和墙构件，综合考虑计算精度与计算效率，确定纤维梁和分层壳单元截面的划分情况：纤维梁截面划分为16个钢筋纤维，36个混凝土纤维，共52个纤维点；分层壳截面划分为2个钢筋纤维层，6个混凝土纤维层，共8个纤维层。

计算时，考虑到纤维梁单元和分层壳单元中不同的积分点所采用的材料类型必须相同，并且考虑材料类型对钢筋的适用性以及能否定义材料失效条件，选用124号材料*mat_plasticity_compression_tension来模拟钢筋和混凝土；该材料是等向弹塑性材料，用户可以定义材料的拉伸和压缩应力塑性应变曲线。利用LS-DYNA软件中的72r3号材料*mat_conrete_damage_rel3自动生成材料参数的功能，得到混凝土拉、压应力应变关系曲线；钢筋应力应变曲线采用四折线模型。

通过设定124号材料的失效塑性应变或最小时间步长来定义材料的失效，当某个单元的材料失效时，软件会自动删除这个单元，用剩下的单元继续计算。等效塑性应变用下式得到：

式中为等效塑性应变；为等效塑性应变随时间的增量； 是等效塑性应变张量；是等效塑性应变张量随时间的增量；C是常数，可根据单轴加载试验确定。

运用LS-DYNA软件建立的RC框架核心筒结构有限元模型如图6所示。

动画显示，框架核心筒结构并未发生倒塌。通过计算发现，去掉底层角柱后，底层相邻柱以及底层剪力墙构件均未出现塑性应变，说明该框架核心筒结构设计具有一定的抗连续倒塌能力。其原因主要是梁和板具有足够大的刚度和强度，可以在保证构件本身不破坏的情况下将所受的力传至核心筒。一层角柱失效后，上部的板失去一部分支撑，传力路径改变，原本由这个角柱所承担的竖向力重新分配到相邻柱与核心筒上，相应地该处梁和板也变为悬臂受力，底层柱轴力随时间的变化如图7所示。

步骤（3）：继续施加动力荷载（以地震荷载为例），进行倒塌全过程分析，获得响应时程曲线、杆件受力状态、整体破坏形态、局部失效情况，评估倒塌性能。

对框架核心筒结构依次加载El Centro、Taft、Chichi、汶川波与上海人工波SHW01，分别进行双向与三向输入，其加速度幅值依次增加以模拟多遇、标准以及罕遇烈度下结构受到的地震作用

最终三向加载Chichi波时，框架核心筒结构发生整体倒塌，倒塌过程如图8所示。破坏主要集中在第1层及第2层，倒塌破坏过程中的构件破坏顺序依次为“失效柱相邻柱→相邻抗震墙→底层结构→整体结构”。

图9为局部构件的von Mises应力等直线图，从竖向支承构件失效单元的分布位置与发展情况可知，首先相邻柱失效单元首先出现在柱端，并向全柱开展，柱混凝土压溃后，钢筋随即退出工作，导致柱全截面失效；随着底层框架柱逐步退出工作，失效柱所在跨的楼板挠度明显增大，底层角部抗震墙底部及与外框柱相邻墙顶部的混凝土逐渐失效，从而导致失效柱相邻角部的竖向承重构件大部分退出工作；最终，结构发生整体倒塌。

步骤（4）：对其余关键部位重复步骤（2）—（3），以得到每个关键部位处于失效状态后的框架核心筒结构的响应，并对其进行倒塌评估；

步骤（5）：对RC框架核心筒结构进行性能设计，提高其防连续倒塌能力。

从模型结构在动力加载下的倒塌情况可知，在地震作用下，由于结构主要的抗侧力构件是竖向构件，即柱和抗震墙，外框柱的失效可能会导致相邻承重构件的严重失效，从而造成结构整体性的倾覆倒塌破坏；而框架梁、楼板等水平构件只起到传递荷载的作用，“悬臂机制”及“悬索机制”对结构的抗倒塌能力提升较小，在地震作用下几乎不产生悬链线。因此，对于RC框架核心筒结构防倒塌能力提升的设计方法有如下建议：

（1）在框架核心筒结构设计中，“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的设计原则对改善结构抗倒塌性能及控制结构倒塌范围具有实际的指导作用。

（2）对于构件特别是竖向构件的设计，应考虑设置“二道防线”，以保证“及时补位”，即一旦构件失效，能由周边构件协同作用。

（3）从框架核心筒结构的倒塌机制可以得出，对于此类结构，在结构设计过程中，应更多地关注竖向构件的加强，特别是外框角柱及抗震墙底部加强区等区域，且一定要保证竖向构件的安全冗余度。

Claims (5)

1.一种提升RC框架核心筒结构防倒塌能力的设计方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）：根据既定条件对RC框架核心筒结构进行常规设计，得到初始结构模型；根据现有规范及抗震要求，对所得初始结构模型中的梁、柱、板及剪力墙结构进行配筋设计；

（2）：选择初始结构模型中一个具体的柱或剪力墙结构关键部位做失效处理，运用有限元软件对整个初始结构模型进行静力响应分析，评估其倒塌状态；

具体为：根据现代结构设计中存在较多的不规则结构，且灾害调查显示RC框架核心筒结构遭遇地震、撞击、火灾或者恐怖袭击意外因素时首先出现破坏的多为竖向受力构件，采用拆除构件法沿初始结构模型的外围护对结构的长边中柱、短边中柱、角柱或剪力墙逐一拆除；运用有限元软件对失效前的初始结构模型进行计算，得到失效构件所承受的力，并将此力线性缓慢减小至零以模拟该构件的失效；运用有限元软件LS-DYNA对引入失效构件后的结构模型进行分析求解，通过动画观察框架核心筒结构是否发生倒塌，并分析节点位移、构件受力情况，进而探索倒塌机制；

（3）：若步骤（2）中框架核心筒结构并未发生倒塌，继续施加动力荷载，进行倒塌全过程分析，获得响应时程曲线、杆件受力状态、整体破坏形态和局部失效情况信息，评估倒塌性能；

（4）：对步骤（1）得到的初始结构模型其余关键部位重复步骤（2）-（3），以得到其余每个关键部位处于失效状态后框架核心筒结构的响应，并对其进行倒塌评估；

（5）：进行RC框架核心筒结构防连续倒塌设计；

如果框架核心筒结构在拆除某构件之后发生了倒塌，则通过增加剩余构件的强度来避免倒塌，考虑设置“二道防线”，即增强框架核心筒结构的冗余度，提供有效的备用传力路径；如果一个构件无法找到替代路径，则应设计使其具有足够的强度，能在一定程度上抵御意外荷载作用。

2.根据权利要求1所述的提升RC框架核心筒结构防倒塌能力的设计方法，其特征在于有限元软件选用大型显式有限元软件LS-DYNA，采用大型显式有限元软件LS-DYNA进行RC框架核心筒结构的倒塌全过程分析，大型显式有限单元软件的求解基于动力学方程，具有较好的稳定性，这种方法既可以比较准确模拟结构倒塌前的力学性能，又能够处理结构的大位移，大转动。

3.根据权利要求1所述的提升RC框架核心筒结构防倒塌能力的设计方法，其特征在于基于倒塌全过程分析进行防倒塌能力设计，可以直观清晰地判断结构是否发生倒塌，而无需借助于倒塌判断准则。

4.根据权利要求２所述的提升RC框架核心筒结构防倒塌能力的设计方法，其特征在于利用大型显式有限元软件LS-DYNA分析时，需要综合考虑计算精度与计算效率，RC框架核心筒结构选用组合式模型，假定钢筋与混凝土之间不产生滑移，建立初始结构模型时分别考虑钢筋和混凝土两种材料的本构关系；并且采用纤维梁单元模拟梁、柱构件及核心筒的边缘构件，采用分层壳单元模拟板和墙构件，综合考虑计算精度与计算效率，确定纤维梁和分层壳单元截面的划分情况；材料特性采用非线性模型；失效准则根据材料的性质设定。

5.根据权利要求1所述的提升RC框架核心筒结构防倒塌能力的设计方法，其特征在于步骤（3）中所述动力荷载为地震、台风、爆炸或火灾灾难荷载中任一种。