单根立柱失效条件下框架结构楼房动力响应特征研究_侯永恒.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 6 月爆破BLASTINGVol 40No 2Jun 2023doi:10 3963/j issn 1001 487X 2023 02 015单根立柱失效条件下框架结构楼房动力响应特征研究*侯永恒1a，1b，姚颖康1a，1b，余珊珊1a，1b，黄小武2(1 江汉大学 a 省部共建精细爆破国家重点实验室;b 爆破工程湖北省重点实验室，武汉 430056;2 武汉爆破有限公司，武汉 430056)摘要:高层框架结构楼房不同部位单根立柱失效条件下楼房的变形能力、加速度响应和荷载传递等动力响应特征是本研究的重点。首先，依据 混凝土结构设计规范(GB50010)，采用 PKPM 设计软件建立了一个4 6 跨的 8 层钢筋混凝土框架结构模型;其次，基于构件拆除法，应用有限元软件 SAP2000 非线性动力分析方法计算了一楼中心柱、长边中柱、短边中柱、角柱等不同部位单根立柱失效条件下框架结构的动力响应特征。研究结果表明:四种立柱失效条件下，其塑性转角均小于 6，结构不会发生倒塌，中心立柱失效时结构稳定性最差，发生连续倒塌的概率相对最大，短边中柱和长边中柱次之，角柱概率最小;中心柱失效条件下楼房荷载对剩余结构的动力冲击作用影响最为显著，其负向最大值加速度大约是短边中柱和长边中柱的 2 倍，可达 3 g 左右;不同部位立柱失效后，荷载将重新分布，其轴力由紧邻的柱承担，而上方梁的受力形式也从受弯转变为受拉，发生悬链线效应，在中心柱失效工况下，相邻的各柱轴力增加了近 20%。关键词:框架结构楼房;单根立柱失效;非线性动力分析;内力调整;动力响应特性中图分类号:TU746 5文献标识码:A文章编号:1001 487X(2023)02 0102 07收稿日期:2023 01 31作者简介:侯永恒(1994 )，男，硕士研究生，主要从事建筑物爆破拆除相关领域研究，(E-mail)1016879391 qq com。通讯作者:姚颖康(1981 )，男，博士、高级工程师，主要从事建筑物精细爆破拆除和土木工程防灾减灾等领域的理论与技术研究，(E-mail)shanxiyao jhun edu cn。基金项目:武汉市知识创新专项基础研究项目(2022020801010371);湖北省自然科学基金创新群体项目(2020CFA043);湖北省重点研发计划项目(2020BCA084)Study on Dynamic esponse Characteristics of FrameStructure Building with Single-column FailureHOU Yong-heng1a，1b，YAO Ying-kang1a，1b，YU Shan-shan1a，1b，HUANG Xiao-wu2(1 a State Key Laboratory of Precision Blasting;b Hubei Key Laboratory of Blasting Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，China;2 Wuhan Explosions and Blasting Corporation Limited，Wuhan 430056，China)Abstract:The dynamic response characteristics such as deformation capacity，acceleration，and load transfer ofhigh-rise frame structure buildings under the condition of single column failure in different parts were studied First-ly，according to the Code for Design of Concrete Structure(GB50010)，a 4 6 span 8-story reinforced concrete framestructure model was established by using PKPM design software Secondly，based on the component removal method，the finite element software SAP2000 was used to calculate the dynamic response characteristics of the frame structurewith the failure of different single columns at the first floor，including the center column，long side middle column，short side middle column and corner column The results show that the plastic angle is less than 6 for all the four col-umn failure conditions，and the structure will not collapse When the central column fails，the structural stability isthe worst，and the probability of continuous collapse is the highest，followed by that of the short side and long sidemiddle columns，and the corner column has the least probability Under the condition of center column failure，the dy-namic impact of the load on the residual structure is the most significant，with a maximum negative acceleration of a-bout 3 g，which is twice as high as that of the short side middle column and the long side middle column After thefailure of the columns，the loads will be redistributed The axial force will be borne by the adjacent columns，while thestress form of the upper beam will also change from bending to tension，resulting in a catenary effect In the scenarioof the central column failure，the axial force of the adjacent columns will increase by nearly 20%Key words:frame structure building;single column failure;nonlinear dynamic analysis;internal force adjust-ment;dynamic response characteristics近年来，随着城市建设日新月异，在城市更新与工业升级改造过程中，大量高层楼房需要拆除，爆破拆除因其效率高，施工过程相对安全，已成为建筑物拆除的首选方式1。但是，高层楼房拆除逐渐呈现规模大型化、结构复杂化等特点，随之而来的是拆除爆破楼房倒塌破坏与有害效应的精细控制问题，高层楼房承重立柱失效条件下结构的内力调整和失稳破坏机制研究已成为拆除爆破领域理论研究的重点和难点。与此同时，随着国际安全形势和反恐新变化，建筑物在意外爆炸作用下的抗连续倒塌性能与安全评估理论也成为土木工程领域研究的热点问题。目前，国内外相关学者围绕建筑物承重结构失效失稳倒塌开展了大量的研究，相关研究可归纳为理论分析，模型试验和数值模拟三个方面。理论分析方面:彭韬宇建立了框架结构建筑物爆破拆除的力学模型2;宋满荣等人提出了边柱失效时简化的结构抗力分析模型3;高佳明等人提出了结构极限承载力计算方法4，并建议同时考虑极限承载力和梁端转角对混凝土结构进行倒塌判定;模型试验方面;何庆峰等采用爆破方式对一 C 框架结构短边中柱和角柱进行拆除试验5，研究发现，横向或纵向空间的空间空腹梁作用是结构在柱失效后的荷载重分布的主要传力路径;何嘉轩等制作了 11 的一榀两层两跨装配式预应力混凝土平面框架结构6，探究框架在中柱失效情况下的变形能力、受力机制和荷载的替代传力路径;杨涛等设计了 1/4 的框架子结构模型7，通过快速抽柱的方法研究了框架梁的跨高比和预应力等参数对其动态倒塌性能的影响;数值模拟方面:程建军等采用有限元软件对中柱失效时 C 平面框架进行了非线性静力分析8，研究其抗倒塌的承载力及其对应的荷载传递机理;黄华采用 SAP2000 有限元软件对某框架结构依次拆除底层纵向边柱、横向边柱、角柱和内柱9，研究抗震框架的倒塌破坏行为。柯长仁利用 SAP2000 有限元软件采用非线性动力法对一 24 层框剪结构进行抗连续倒塌研究10，发现同一楼层柱失效结构的连续倒塌概率最大的为中柱。综上所述，虽然，国内外相关学者围绕建筑物承重结构失效条件下结构的失稳倒塌开展了相关研究，但相关结论尚不能为拆除爆破领域试爆立柱选择与稳定性评价提供依据。为此，本文根据混凝土结构设计规范(GB500102010)设计了一栋 8层钢筋混凝土框架结构楼房11，借助 SAP2000 有限元软件，运用非线性动力分析方法，分别拆除楼房的长边中柱、短边中柱、角柱、中心柱，进而分析其框架结构的变形能力、加速度响应和荷载传递等动力响应特征，可为拆除爆破试爆立柱的选择和框架结构楼房遭受意外冲击荷载局部承重立柱失效条件下的稳定性评价提供依据。1框架结构楼房模型根据我国规范混凝土结构设计规范，利用PKPM 软件来计算设计模型。模型为 8 层钢筋混凝土框架结构楼房，1 层层高4 2 m，2 8 层为3 6 m，纵横向柱距均为 6 m。见图 1 和图 2。图 1三维框架结构图Fig 1Three-dimensional frame structure diagram1 层柱截面为 700 mm 700 mm、2-4 层柱截面为 650 mm 650 mm、5 8 层柱截面 600 mm 301第 40 卷第 2 期侯永恒，姚颖康，余珊珊，等单根立柱失效条件下框架结构楼房动力响应特征研究600 mm;梁截面均为 300 mm 550 mm;楼板厚为150 mm;无外墙。梁、板、柱混凝土强度等级均为C30;凝土抗压强度采用强度等 级 的 标 准 值 为20 1 MPa;纵向受力钢筋均为 HB400，箍筋 为HPB300;屋面恒载 3 25 kN/m2，活载为 0 5 kN/m2，楼面恒载为4 25 kN/m2，活载为2 0 kN/m2;基本风压为 0 45 kN/m2，地面粗糙程度为 C 类;场地土为类，设防烈度为 7 度，设计加速度为 0 01 g，周期折减系数为 0 7，二级框架。采用 PKPM 计算得到梁柱配筋结果如表 1，因结构简单，考虑钢筋归并以便分析，然后将模型导入至 SAP2000，采用拆除构件法分析其整体动力响应。图 2结构平面布置图(单位:mm)Fig 2The layout plan of the structure(unit:mm)表 1梁柱配筋表Table 1Beam-co