郭文杰 赵子玉 崔文韬

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)



·结构·抗震·

基于ANSYS分析既有RC框架结构抗连续性倒塌的能力★

郭文杰 赵子玉 崔文韬

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

采用ANSYS软件，建立了RC框架结构有限元模型，并利用线性静力法，研究了四种不同失效工况下RC框架结构的抗连续性倒塌能力，依据分析结果，提出了RC框架结构的加固措施。

框架结构，连续性倒塌，有限元分析，加固措施

0 引言

世界范围内建筑物因关键构件失效而造成的连续性倒塌事故时有发生，造成了严重的人员伤亡及经济财产损失。同时，大量现存的既有建筑物并没有经过抗连续性倒塌能力设计，加之年久失修等各种因素，已经出现了不同程度的损伤，存在着发生连续性倒塌的风险。所以，工程界越来越重视对于建筑物抗连续性倒塌能力的研究。陆新征、李易等通过对钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌过程的数值模拟，分析出倒塌过程中存在梁机制、转换机制及悬链线机制三种抗力机制[1]；易伟建、何庆锋等提出了模拟框架结构倒塌破坏的拟静力试验方法，并完成了4跨3层钢筋混凝土平面框架的倒塌试验[2]；肖岩、杨娇等通过CFRP加固框架结构的试验研究，得出粘贴CFRP可以有效地提高结构的抗连续性倒塌能力[3]。本文结合某工程案例，通过ANSYS软件对某三维RC框架结构进行线性静力有限元分析，研究不同失效工况下结构的抗力性能，提出既有RC框架结构抗连续性倒塌能力的加固措施及方法。

1 分析方法及流程

线性静力拆除构件法没有直接考虑材料的非线性及结构倒塌过程中的动力效应，而是通过考虑荷载的动力放大系数来间接模拟动力作用，通过考虑内力折减系数来近似模拟材料的非线性，具有计算效率高，操作简便的特点。根据GSA2003规范的规定，该方法适用于10层及10层以下规则框架结构抗连续性倒塌的分析。其具体的分析流程如下：1)采用有限元软件建立钢筋混凝土框架结构数值分析模型；2)依次拆除框架结构中的关键承重构件，主要为结构中的短边中柱、长边中柱、内部柱及角柱等构件；3)在与被拆除柱直接或间接相连的框架梁上施加2(D+0.25L)的荷载，其余区域的框架梁上施加D+0.25L的荷载；4)线性静力分析结束后，依据需求能力比DCR破坏准则，判断DCR值是否大于2,评估结构抗连续性倒塌承载能力储备。

其中，D为包括自重在内的恒荷载；L为活荷载；QUD为在考虑了荷载动力放大系数后结构构件的作用效应；QCE为结构构件的极限承载能力。

2 工程案例

2.1 设计资料

某框架结构抗震等级为三级，抗震设防烈度为7度。首层层高4.5m，其余层高3.6m,两种柱截面尺寸分别为400mm×450mm，400mm×400mm，两种梁截面尺寸为250mm×500mm，250mm×400mm，梁、板、柱的混凝土强度等级为C30，纵向受力钢筋HRB335，箍HPB235。楼面恒载为3.24 kN/m2，活载为2.03 kN/m2，屋面恒载为3.98 kN/m2，活载为0.5 kN/m2。

2.2 有限元模型

本文主要采用ANSYS提供的基于铁木辛柯梁理论(Timoshenko梁理论)的Beam189单元建立RC框架结构数值分析模型。该单元是3D有限应变梁单元，适合分析线性、弹性、大转动等问题[4]，同时梁、柱作为钢筋混凝土框架结构中的主要承重构件，具有相同的受力理论基础，都会在荷载作用下产生弯矩、剪力及轴力等内力，因而梁、柱构件都可以用Beam189单元来模拟分析。

2.3 有限元结果分析

1)位移分析。

分析图1～图4四种失效工况下结构的位移可知，结构的最大位移均发生在失效柱柱端。角柱失效工况下，结构最大位移为37.78 mm；短边中柱失效工况下，结构最大位移为17.79 mm；长边中柱失效工况下，结构最大位移为14.51 mm；内部柱失效工况下，结构最大位移为13.92 mm。对比分析，仅在角柱失效后，结构的最大位移超过了《混凝土结构设计规范》中对于正常使用极限状态梁位移限值的要求，但未超过GSA规范中对于结构发生连续性倒塌的限值，其余最大位移值也均符合规定。

2)承载能力分析。

分析图5～图8四种失效工况下结构的弯矩可知，在失效柱跨内区域的框架梁受力机制发生改变，与失效柱相连的框架梁梁端弯矩由负变正，且数值显著增加。首层柱失效后，对首层及第二层梁柱构件的内力影响较大，在失效柱跨内，随着层数的增加，距离失效柱所在层越远，梁柱构件的内力变化幅度也逐渐减小。同时，跨度较小梁的内力变化幅度最大，容易首次发生破坏。

3)破坏准则分析。

表1 不同失效工况下结构最大DCR值计算表

通过表1可以得出，在角柱失效及短边中柱失效工况下的最大DCR值为均超过了GSA2003规范规定的限值2，说明角柱失效及短边中柱失效工况下，该钢筋混凝土框架结构会发生连续性倒塌。而在长边中柱失效及内部柱失效工况下的最大DCR值均小于限值2，说明在这两种失效工况下，该钢筋混凝土框架结构不会发生连续性倒塌。

2.4 加固分析

通过对既有钢筋混凝土框架结构的风险评估，说明了依据我国原有规范设计的建筑物存在连续性倒塌的风险，需要进行加固处理。通过四种失效工况的综合对比，现提出以下加固措施与方法：

1)针对本例，应重点加固角柱及短边中柱区域内的结构构件。通过外粘型钢、增大截面面积等方法对结构角柱及短边中柱进行加固，防止其被破坏，从根源上避免结构连续性倒塌的发生；

2)由于柱失效后，结构体系的传力路径有所改变，导致与失效柱直接相连的框架梁的内力明显增大，所以需要增加框架梁的承载能力，可以采用粘贴钢板、粘贴纤维复合材等方法进行加固，尤其是与失效柱直接相连的本层及上一层框架梁必须进行加固，对跨度较小的框架梁进行重点加固，对框架梁柱节点区域采取必要加固措施；

3)通过增加钢支撑等方法对结构整体进行加固，一方面增加了结构体系的替代传力路径，另一方面也增加了结构的承载能力。

[1] 李 易,陆新征,叶列平，等.钢筋混凝土框架抗连续倒塌机制研究[J].建筑科学,2011,27(5):12-18,22.

[2] 易伟建,何庆锋,肖 岩，等.钢筋混凝土框架结构抗倒塌性能的试验研究[J].建筑结构学报,2007,28(5):104-109,117.

[3] 杨 娇.采用CFRP板条防止钢筋混凝土框架连续倒塌试验研究[D].长沙：湖南大学,2014.

[4] GSA.Progressive collapse analysis and design guidelines for new federal office buildings and major modernization projects.Washington,D.C:United States General Services Administration.2003.

[5] 王新敏,李义强,许宏伟.ANSYS结构分析单元与应用[M].北京:人民交通出版社,2011.

Analysis the resistance of progressive collapse of the existing RC frame structure based on ANSYS★

Guo Wenjie Zhao Ziyu Cui Wentao

(HebeiInstituteofArchitectureandCivilEngineering，Zhangjiakou075000，China)

ANSYS was used to establish finite element model of RC frame structure, and then the linear static method was used to research the resistance of progressive collapse of the existing RC frame structure at different conditions, according to the results of the analysis, the paper puts forward some reinforcement measures.

frame structure, progressive collapse, finite element analysis, reinforcement measures

2016-11-23

★：2016年河北省研究生创新基金项目(项目编号：302)；2016年河北建筑工程学院研究生创新基金项目(项目编号：XA201603)

郭文杰(1990- )，男，在读硕士

1009-6825(2017)04-0037-03

TU311.41

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