组合楼板钢框架结构的连续倒塌简化模拟_王伟.pdf

文章编号：1000-4750(2023)03-0098-09组合楼板钢框架结构的连续倒塌简化模拟王伟1,2，王俊杰1,2(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；2.同济大学建筑工程系，上海200092)摘要：该文借助经过校验的组合楼盖精细模型，建立了组合楼板钢框架结构连续倒塌有限元简化模型，通过与组合楼盖子结构试验对比验证了此简化模型的准确性。采用简化模型，分析了柱子失效位置、结构层数和组合楼板等参数对一个五层组合楼板钢框架原型结构抗连续倒塌性能的影响。分析结果表明：原型结构具有足够的承载力以避免由单个底层柱子失效所导致的结构连续倒塌；除了角柱失效工况外，原型结构的层数变化对结构抗连续倒塌性能的影响可以忽略，而在角柱失效工况下，层间桁架承载机制的贡献会使得原型结构比单层有楼板结构的抗连续倒塌承载力更高；在考虑组合楼板之后，原型结构的抗连续倒塌承载力提升了 114%。关键词：连续倒塌；组合楼板；钢框架；组合结构；简化模型中图分类号：TU318文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0679REDUCED-ORDERPROGRESSIVECOLLAPSEMODELINGOFSTEELFRAMEBUILDINGSWITHCOMPOSITESLABSWANGWei1,2,WANGJun-jie1,2(1.StateKeyLaboratoryofDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.DepartmentofStructuralEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Withtheaidofavalidatedhigh-fidelitycompositefloormodel,areduced-orderfiniteelementmodelof steel-framed structures with composite slabs was established for analyzing the structural behavior underprogressivecollapsescenarios.Theaccuracyofthereduced-ordermodelwasvalidatedbycomparingitwithacomposite floor substructure test.The progressive collapse resistance of a five-story prototype building wasanalyzed using the reduced-order model.The analysis results indicate the prototype building has sufficientloading-carrying capacity to prevent the progressive collapse caused by the failure of a single ground floorcolumn.Except for the corner loss scenario,the altering of floor number has an insignificant effect on theprogressive collapse behavior of the prototype building.The predicted progressive collapse resistance of theprototypebuildingisimprovedby114%afterconsideringthecontributionofthecompositeslab.Keywords:progressivecollapse;compositeslab;steelframe;compositestructure;reduced-ordermodeling真实或足尺整体结构的连续倒塌试验可以准确地反映结构在连续倒塌情况下的实际性能和真实响应12，但是费用和耗时都极高。如今，广泛开展的节点子结构连续倒塌试验38能够很好地反映失效位置附近局部区域的破坏发展规律，但是其不能获知此局部失效所导致的后续破坏扩展和结构的整体失效模式。与试验研究相比，数值模拟研究可以用较低的成本开展大量工况的模拟计算，是结构连续倒塌研究的重要手段。现有的试验研究表明910，钢-混凝土组合楼盖系统的连续倒塌主要由梁柱节点区域的钢材断裂或混凝土性能损伤退化引起。因此，为了获得较为可靠的数值结果，针对此类结构的连续倒塌数值模型必须要能够准确反映钢材断裂失效和混凝土损伤退化的影响。在目前有关组合楼盖系统1114或组合楼板钢收稿日期：2021-08-31；修改日期：2022-01-18基金项目：国家自然科学基金项目(51820105013)；土木工程防灾国家重点实验室基金重点项目(SLDRCE19-A-03)通讯作者：王俊杰(1992)，男，山东聊城人，博士，主要从事建筑结构抗倒塌研究(E-mail:junjie.wangpolyu.edu.hk).作者简介：王伟(1977)，男，江西南昌人，教授，博士，主要从事建筑钢结构研究(E-mail:).第40卷第3期Vol.40No.3工程力学2023 年3月Mar.2023ENGINEERINGMECHANICS98框架整体结构1519的连续倒塌数值模拟中，梁柱节点区域应力状态对钢材断裂行为的影响还未受到重视。根据足尺组合楼盖子结构连续倒塌试验20及与其对应的材性试验，作者利用有限元精细模型对比发现，在梁柱节点位置必须要同时考虑应力三轴度和罗德角等应力状态参数对钢材断裂行为的影响，否则将导致组合楼盖子结构数值模拟结果失真21。若要在有限元模型中直接考虑应力三轴度和罗德角等应力状态参数的影响，那么必须要在此有限元模型可能出现钢材断裂的节点区域划分足够细密的单元，以获得足够精度的应力状态参数。由于组合楼板钢框架结构在发生连续倒塌时通常伴随着材料的断裂失效，为了保证计算的收敛性，在对其进行有限元模拟时普遍采用显式算法。但是，采用较小的单元尺寸不仅会增加模型单元数量，也会限制显式算法的计算步长，这两个因素都会增加模型的计算时间。为了提高计算效率，组合楼板钢框架结构的连续倒塌模拟可以采用简化模型18，即梁和柱等构件由梁单元代替，组合楼板由壳单元代替。但是，目前还未有能在整体结构简化模型中考虑应力三轴度和罗德角等应力状态参数对钢材断裂影响的模拟方法。因此，本文借助经过足尺组合楼盖子结构试验10,20校验的组合楼盖有限元精细模型21，建立了适用于模拟组合楼板钢框架结构抗连续倒塌性能，且同时兼顾计算效率和计算精度的有限元简化模型。此简化模型的建模流程如图 1 所示。然后，借助简化模型，分析了柱失效位置、结构层数和组合楼板等参数对一个五层组合楼板钢框架原型结构抗连续倒塌性能的影响。组合楼盖连倒塌试验10,20简化模型钢材精细模型21材性试验材料模型混凝土验证验证标定荷载荷载试验模型试验模型标定标定标定支座弹簧精细模型精细模型简化模型简化模型梁柱节点组合楼板图1简化模型建模方法Fig.1Reduced-ordermodelingmethod1组合楼盖子结构试验如图 1 所示，用于标定组合楼盖简化模型的精细模型是根据足尺组合楼盖子结构连续倒塌试验10,20而建立的。此试验研究了组合楼盖子结构在移除边中柱工况下的抗连续倒塌性能，其试验装置和试件平面布置如图 2 所示。此试件的主梁和次梁跨度分别为 4.2m 和 3.6m，柱子高度为层高的一半，即 1.8m。主梁截面为 H200mm100mm5.5mm8mm，次梁截面为 H150mm75mm7mm10mm，柱截面为 H200mm200mm8mm12mm，所有梁柱均采用 Q345 钢。组合楼板的总工程力学99厚度为 100mm，其中开口型压型钢板高度为50mm，上部的混凝土翼板厚度为 50mm。压型钢板强度等级为 Q345，厚度为 1.2mm。压型钢板板肋布置方向与主梁轴线平行。混凝土翼板内布置网口尺寸为 200mm200mm 的 CRB550 焊接钢筋网，钢筋直径为 8mm。组合楼板和钢梁通过直径为 16mm、长度为 80mm 的 5.6 级栓钉连接。栓钉布置方式按完全抗剪设计，沿主梁方向每隔300mm 布置一个，沿次梁方向每个板肋(305mm)布置一个。主梁-柱节点采用栓焊刚接节点；次梁-柱节点采用剪切板螺栓铰接节点；次梁-主梁节点采用剪切板螺栓铰接节点。如图 2(b)所示，在试件水平边界处，组合楼板向外延伸 900mm，以考虑相邻跨所提供的约束作用。此外，框架梁在边界处亦向外延伸，其端部约束于水平约束支座。在试验过程中，与失效柱相连的主梁内发展了显著的悬链线拉力，导致其两端的水平约束支座出现明显的水平滑移。支座水平约束刚度可以通过将试验测得的水平力除以支座水平位移而得到，约为 10kN/mm21。在试验过程中，除了失效柱，其他所有柱子的柱底均被完全约束。在试验过程中，作动器施加的集中力通过 4 级分配梁系统均匀分配到楼板上的 24 个点，以实现较为理想的均布加载效果。由边长为 150mm 的标准立方体混凝土试块所测得的混凝土抗压强度为 33MPa。在之后的模拟中，主要钢构件和混凝土所采用的应力-应变曲线如图 2(c)所示。与此试验有关的更多细节可以参照文献 10,20。2组合楼盖子结构有限元精细模型如图 1 所示，根据第 1 节所述的组合楼盖子荷荷载载分分配配系系统统2000kN作作动动器器水水平平约约束束支支座座竖竖向向约约束束支支座座荷载分配系统2000 kN作动器水平约束支座竖向约束支座(a)试验装置围梁失效柱压型钢板布置方向900柱H200200812主梁H2001005.58次梁H1507571021002100210021009000063900应变应变简化模型精细模型试验混凝土1000800600400200应力/MPa应力/MPa0.00.010120090060030000200400位移/mm荷载/kN60080030201000.008 0.006 0.004 0.002 0.0000.0020.20.40.60.8钢材主梁翼缘主梁腹板次梁翼缘次梁腹板压型钢板钢筋(b)试件平面图(c)材料应力-应变曲线(d)荷载-位移曲线图2组合楼盖子结构试验Fig.2Compositefloortest100工程力学结构试验，采用 LS-DYNA 软件建立了对应的有限元精细模型21，本节将对此模型的建模方式进行简要介绍。在精细模型中，梁、柱和压型钢板采用壳单元建模，钢筋和栓钉分别采用桁架单元和梁单元建模，混凝土楼板采用实体单元建模。钢材延性断裂和混凝土塑性损伤等材料非线性行为根据材性试验的结果进行标定。栓钉与钢梁间的剪切滑移行为通过非线性弹簧单元模拟，其剪切-滑移曲线通过推出试验10获得。钢筋单元节点绑定于对应的混凝土实体单元，忽略其与混凝土之间的相对滑移。梁端水平约束支座的水平约束刚度通过在与失效柱相连的主梁梁端设置的水平弹簧单元来模拟。由于在试验中，未在其他外伸梁端测得明显的水平位移，因此，在模型中其他外伸梁的端部均被完全约束。在精细模型中，分配梁系统所施加的楼面荷载通过在与失效柱相邻的组合楼板上施加逐渐增大的竖向均布荷载来模拟。此精细模型已在文献 21 中验证，图 2(d)为其计算得到的组合楼盖子结构荷载-位移曲线与试验结果的对比。接下来，将采用此精细模型来标定组合楼盖子结构的简化模型。3组合楼盖子结构有限元简化模型尽管第 2 节已经建立了精度较高的精细模型，但其计算耗时较长而难以应用于整体结构的连续倒塌分析。因此，如图 1 所示，通过组合楼盖子