1、專題二：結構抗連續倒塌設計理論拆除構件法西南交通大學土木工程學院建筑工程系劉艷輝 副教授2016.5.16教 學 計 劃緒論部分第一周緒論專題一：基于性能的抗震設計理論第二周基于性能的抗震設計理論研究背景介紹第三周抗震設防水準與性能水準第四周Push-over分析方法第五周延性需求譜方法第六周機動時間1專題二：連續倒塌設計理論第七周連續倒塌設計理論研究背景第八周連續倒塌設計方法概述第九周設計方法1拉結構件法第十周設計方法2拆除構件法第十一周機動時間2專題三：鋼-混凝土組合結構第十二周鋼-組合結構研究進展第十三周混凝土本構模型介紹第十四周試驗研究第十五周試驗影響因素分析第十六周機動時間3總結部分

2、第十七周提交論文專題2：連續倒塌設計理論1. 研究進展2. 混凝土本構模型3. 組合梁試驗研究4. 試驗影響因素分析及結論專題3：鋼-混凝土組合結構1. 理論背景2. 抗震設防水準3. 性能水準4. 設計方法專題1：基于性能的抗震設計理論緒論1.什么是現代建筑？2.現代建筑面臨的問題3.本課程的主要內容4.教學計劃和考評關注重點：研究進展、Push-over分析方法、延性需求譜、地震波選波問題。關注重點：研究進展，本構關系，試驗方法研究的主要步驟及細節問題1. 理論背景2. 連續倒塌設計方法概述3. 設計方法一4. 設計設計方法二方法二關注重點：研究進展、倒塌判別標準研究、拆除構件法今天講課內

3、容 Content in todays lecturel什么是拆除構件法（備用荷載路徑法）？l如何拆除關鍵構件？l倒塌準則l鋼筋混凝土框架結構破壞機制l荷載組合l 汶川地震中的都江堰某三層框架填充墻結構震害Project General Situation1 1棟棟3 3棟棟6 6棟棟1 11 1棟棟1 10 0棟棟4 4棟棟9 9棟棟1 1單單元元2 2單單元元3 3單單元元1 1單單元元2 2單單元元3 3單單元元4 4單單元元1 1單單元元2 2單單元元1 1單單元元2 2單單元元門門衛衛5 5棟棟3 3單單元元2 2單單元元1 1單單元元1 12 2棟棟路路3 3單單元元2 2單單元元

4、1 1單單元元6 6單單元元5 5單單元元4 4單單元元注：1.圖中填充斜線者為本文建筑所在位置2.1-4棟為鋼筋混凝土框架結構，其余為 磚混結構道道2 2棟棟l Wall-filled frame structure l 3 floorsl Legth 93.6m, width 16.8ml Story height of 13floor are 3.9m,3.6m,3.6ml Slope roofDamage of Wall-Filled Frame in Wenchuan Earthquake 圖1 結構布置圖Fig1.Structure Layout of the First Floo

5、r注:這里將軸稱為段,將軸稱為段Noting: Here called the segment as ,called the segment as l 兩段結構布置非常近似l 抗震縫兩層的破壞情況極為不同,一段倒塌,一段雖然發生框架屈服破壞，但整體結構沒有發生倒塌震害特點段震害 段震害 段一層框架柱破壞 段二層樓板落在地面上段一層框架柱錯斷段窗間框架柱鋼筋屈服，混凝土剝落是是什么原因導致兩側震害如此什么原因導致兩側震害如此不同？不同？設計原因？施工原因？場地原因？是否滿足設計規范？兩側結構差異是否很大？同一設計單位同一施工單位在同一場地上材料強度滿足？表1 、段結構平面布置比較結構平面布置異同

6、點一層（標高3.900）二層（標高7.500）相同點：相應位置框架柱配筋完全相同，橫向跨度方向配筋梁完全相同，縱向跨度方向框架梁配筋近似；不同點：縱向跨度有差別，段右上角（見圖1）為衛生間，樓板為現澆板，計算荷載稍有增大三層（標高11.100）相同點：同上不同點：段13軸AF軸、46軸AF軸范圍內無樓板，僅有框架梁，樓板開洞比率為65%，其余部分鋼筋混凝土現澆板；段811軸AF軸、1214軸AF軸范圍內無樓板，僅有框架梁樓板開洞比率為82.8%，其余部分為鋼筋混凝土現澆板四層（坡屋頂，標高11.90015.170）相同點：同上不同點：段13軸AF軸、46軸AF軸范圍內存在坡屋頂，坡屋頂投影面積

7、524.16m2；段811軸AF軸、1214軸AF軸范圍內存在坡屋頂，坡屋頂投影面積629.50m2 兩側結構非常兩側結構非常類似類似結構彈塑性階段的計算分析由于結構被沉降縫分為兩個部分，因此，在進行Y（AF軸方向）方向Pushover分析時，將結構分為、兩個部分分別進行。計算結果如下：表2 在罕遇地震下的層間位移角設防烈度場地類別/設計分組結構的最大層間位移角段段7度類，第1設計分組1/1781/1638度類，第1設計分組1/731/71類，第2設計分組1/621/61 填充墻布置表3 填充墻布置概況層數使用功能填充墻位置填充墻材料段1商鋪，酒店大廳2、3、6軸上， 4、5軸的CD軸間黏土空

8、心磚，6孔2酒店客房加氣混凝土砌塊進行房間分割，砌塊厚度約10厘米，非常輕，沿框架柱及圍護墻體貼砌，無采用構造聯結3酒店客房段1商鋪無2洗浴中心基本無填充墻3茶樓基本無填充墻段1層填充墻布置(填充紅色者)及相應震害情況段2.3層填充墻布置(填充綠色者)4、5軸柱,破壞處混凝土剝落，縱向鋼筋屈服，應該失去了豎向承載能力，至少是絕大部分豎向承載能力，但結構并未因此而倒塌，與之連接的填充墻承擔了豎向力。框架柱被破壞后，結構內力重分布，填充墻也不可避免地承擔了豎向力。研究結論1段一層填充墻與地震作用方向大致成45度夾角，地震力未全部作用在橫向框架上，填充墻破壞程度較輕。1 1棟棟3 3棟棟6 6棟棟1

9、 11 1棟棟1 10 0棟棟4 4棟棟9 9棟棟1 1單單元元2 2單單元元3 3單單元元1 1單單元元2 2單單元元3 3單單元元4 4單單元元1 1單單元元2 2單單元元1 1單單元元2 2單單元元門門衛衛5 5棟棟3 3單單元元2 2單單元元1 1單單元元1 12 2棟棟路路3 3單單元元2 2單單元元1 1單單元元6 6單單元元5 5單單元元4 4單單元元注：1.圖中填充斜線者為本文建筑所在位置2.1-4棟為鋼筋混凝土框架結構，其余為 磚混結構道道2 2棟棟汶川地震波主要作用方向 研究結論2與地震作用主方向垂直的墻體，有抗倒塌作用強調：一般結構設計結構抗連續倒塌設計計算模型整個完好結

10、構部分構件失效退出工作后，剩余結構荷載類型永久荷載與作用可變荷載與作用偶然荷載與作用設計目標保證所設計的結構具有足夠的安全度,也即失效概率足夠小容許結構局部發生嚴重破壞和失效未破壞的剩余結構能有效承受因局部破壞后發生的荷載和內力重分布,不至于短時間內造成結構的破壞范圍迅速擴散而導致大范圍、甚至整個結構的坍塌。l 概念設計法以定性設計為主，其中有些定性設計通過定量設計予以實現l 拉結構件法設置豎向、水平通長鋼筋，并采取有效的連接錨固措施，將結構連成一個整體。l 拆除構件法最常用設計方法，美國有關標準稱為AP法（Alternate Path Method).首先從結構模型中移除按一定規則選定的一根

11、受力構件，模擬結構構件瞬間失效，然后對剩余結構在規定的荷載作用下進行力學計算，由剩余結構構件的內力和變形，根據規定的接受準則，評定是否導致其它構件失效。l 局部加強法0 上節回顧1 什么是拆除構件法？也叫備用荷載路徑法(Alternate Path Method，AP)，即將結構中的部分構件拆除，模擬結構的初始破壞，通過有限元法分析結構中部分構件拆除后剩余結構的強度和變形，判斷結構是否會發生連續倒塌。如果結構發生連續倒塌，則通過增強拆除后的剩余構件來避免連續倒塌，這種方法的實質是增強結構的冗余度，提供有效的備用傳力路徑 。l 英國規范（ODPM, 2004; BSI, 2002）l 歐洲規范（

12、CEN, 2004; CEN, 2006）l 美國規范（ASCE, 2005；ACI, 2008）l 美國還制定了專門的抗連續倒塌設計規范（GSA, 2003；Do D, 2010），相對于通用規范（如英國規范、歐洲規范）的原則性規定，專門的抗連續倒塌設計規范對抗連續倒塌設計目標、計算分析方法和結構構造要求等進行了更詳細的規定。 l 高層建筑混凝土結構技術規程 JGJ3-2010（中華人民共和國住房和城鄉建設部, 2010）l 混凝土結構設計規范 GB50010-2010（中華人民共和國住房和城鄉建設部, 2010）僅涉及簡單的抗連續倒塌設計原則和基本設計要求。l 專門規范：建筑結構倒塌設計規

13、范（CECS392:2014）（中國計劃出版社，2014年） 21規定了比較詳細的流程和設計參數，可操作性強；僅要求采用相應的設計方法，但并沒有規定具體操作流程和參數；表示沒有采用該方法。應用范圍：拆除構件法應用于以下兩種情況：1）如果結構構件或節點的豎向拉結強度不足，設計者可采用拆除構件法設計，使得該構件破壞后結構能跨越該構件而不坍塌。2）對于中、高安全等級的，應采用拆除構件法。2 如何拆除構件？2.1 針對確定的偶然荷載2.2 針對不確定的偶然荷載2.1 針對確定的偶然荷載正線列車脫軌撞擊下雨棚整體性分析(a) 雨棚一(b) 雨棚二目的：確定正線列車脫軌撞擊時結構柱的破壞根數雨棚柱直徑（m

14、m）柱間距（m）15182124273033600撞擊根數3333222撞斷根數2222222700撞擊根數3332222撞斷根數2222221800撞擊根數3322222撞斷根數2222111900撞擊根數2222222撞斷根數1111111950撞擊根數2222222撞斷根數1111111雨棚柱正撞拆除根數小結：（1）拆除兩根柱時，雨棚結構不會發生連續倒塌。（2）邊柱失效對雨棚抗連續倒塌性能影響大于中柱。（3）平面張弦梁結構應減小各榀張弦梁間距，加強平面外縱向聯系：應提高屋面檁條的拉結作用，檁條與上弦梁的連接宜為固結連接方式。2.2 針對不確定的偶然荷載l GSA2003（GSA, 200

15、3）規定僅拆除底層典型部位的框架柱，對上部結構的柱不作要求；l Do D2010（Do D, 2010）對內部柱僅要求拆除位于底層的即可，對于上部結構的內部柱不作拆除要求，其他典型部位的框架柱 Do D2010 均要求拆除分析。這種規定原因是：結構的地下停車場、首層結構易遭受炸彈襲擊而失效；上部結構的外圍易遭受飛行物撞擊和燃氣爆炸的作用而失效。（1）外圍柱的拆除至少應該拆除一根外圍柱的位置包括：結構短邊中間處、長邊中間處和角部另外還包括建筑物幾何尺寸發生明顯變化處，如跨度突變處、凹角處、相鄰柱所承受的荷載較輕處、開間具有不同尺寸處以及方向和立面不同的結構構件僅針對框架和平板結構（2）內部柱的拆

16、除對于結構的地下停車場和首層難以進行安全控制的區域，拆除結構短邊中間處、長邊中間處和無法控制區域角部的內部柱。設計者根據工程經驗來判斷其他還須拆除的位于無法進行安全控制的公共區域的柱。對于每個規定的拆除位置，只對地下停車場和首層進行AP 分析，而無需對結構的其他樓層進行分析。（3）保證節點的水平連續性（4）外圍承重墻的拆除結構短邊中間處、長邊中間處和角部另外還包括建筑物幾何尺寸發生明顯變化處，如跨度突變處、凹角處、相鄰柱所承受的荷載較輕處、開間具有不同尺寸處以及方向和立面不同的結構構件（5）內部承重墻的拆除對于結構的地下停車場和首層難以進行安全控制的區域（6）拆除承重墻的長度 對于建筑物非角段

17、區域取兩倍墻高，但不應小于開間寬度。 對建筑物角部兩個方向分別取一倍墻高，且不小于開間寬度。 對于不是承重墻但與內部承重墻交接的外圍墻段，每個方向分別取一倍墻高，且不小于開間寬度。 對于外圍墻不是承重墻但與內承重墻相交的位置，外圍墻的拆除長度等于一倍墻高。3 連續倒塌判斷準則 l GSA2003（GSA, 2003）和 Do D2005（Do D, 2005）規定，預設構件拆除后，即結構發生初始破壞后，容許剩余結構發生后繼破壞，從后繼倒塌的范圍（包括絕對面積和相對面積兩個指標）來判斷結構是否滿足抗連續倒塌要求。這種判斷準則在理論上符合連續性倒塌定義，但是結構的連續倒塌過程中存在破壞、碰撞、堆載

18、等一系列復雜力學行為，故實際操作難度較大。l Do D2010修改了 Do D2005 規定，嚴格限制任何結構構件發生后繼破壞（Do D, 2010），即某構件發生初始破壞后，剩余結構不能出現超過構件變形能力極限的塑性變形，但是這種嚴格的規定在工程界還存在爭議。l 結構的連續倒塌失效準則定義為梁兩端的相對位移達到跨度的 1/5。（1）外圍柱/承重墻 對于外圍墻/柱的拆除，破壞范圍限制要求為，直接位于拆除構件上部的樓板的坍塌面積不得大于70m2（和15%樓板總面積的較小值，且直接額外位于拆除構件下方的樓板不能倒塌。另外任何與拆除構件無直接相連的結構部分都不應坍塌。(2)對于內部柱/承重墻拆除對于

19、內部墻/柱的拆除，破壞范圍限制要求為，直接位于拆除構件上部的樓板的坍塌面積不得大于140m2和30%樓板總面積的較小值，且直接位于拆除構件下方的樓板不能倒塌。另外任何與拆除構件無直接相連的結構部分都不應坍塌。絕對面積和相對面積兩個指標水平構件拉結設計的懸索機制和梁機制4 抗連續倒塌機制針對普通鋼筋混凝土框架梁機制：在小變形范圍內（結點位移小于跨度的十分之一），失去支撐的框架梁可以通過其抗彎承載力提供抗連續倒塌能力；懸鏈線機制：在大變形范圍內（結點位移大于跨度的十分之一），失去支撐并貫通結點的框架梁可以通過其抗拉承載力提供抗連續倒塌能力。對于矩形軸網布置的典型 RC框架結構： (1) 邊緣柱破壞時，在小變形范圍內，兩個方向的框架梁以梁機制提供抗連續倒塌能力，在大