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新论文:中柱失效后板柱结构连续倒塌传力机理研究

薛慧中等 陆新征课题组 2019-10-03

中柱失效后板柱结构连续倒塌传力机理研究

Load Transfer and Collapse Resistance of RC Flat Plates under Interior Column Removal Scenario

Journal of Structural Engineering-ASCE

https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0002090?af=R


一、研究背景

混凝土板柱结构(也称为无梁楼盖结构)是由混凝土板和柱构成的结构体系。因为结构高度小,建造施工方便,使用空间大等优点,在国外多层住宅、办公/零售建筑和停车场等建筑中非常流行。据澳大利亚ADG(Alliance Design Group)及Robert Bird Group等咨询公司统计,澳洲主要城市大约80-90%的高层住宅采用该结构体系。

 

图1 板柱结构体系


板柱结构和框架结构相比,其延性和抗力较低,特别是其板柱节点处易发生冲剪破坏,因此在出现意外事件引起局部破坏后,发生连续倒塌潜在风险更大。最著名的板柱结构连续倒塌事故是发生在1995年的韩国首尔Sampoong百货大楼连续倒塌事故。该百货大楼在营业过程中突然发生连续倒塌,造成502人死亡,937人受伤。事故调查报告表明,该大楼是在使用过程中因不当改造导致超载,在局部板柱节点发生冲剪破坏后失效范围迅速蔓延,最后导致重大灾难(图2,图3)。国内外历史上也多次发生板柱结构连续倒塌破坏的工程事故(图4,图5)。

图2 韩国Sampoong百货大楼连续倒塌事故(图片来源:www.reddit.com)

 

图3 板柱结构连续倒塌破坏

图4 国外板柱结构连续倒塌事故(图片来源:www.corrosionengineering.co.uk) 

图5 国内板柱结构连续倒塌事故(图片来源:土木在线)


目前对板柱结构的研究主要还是集中在节点区冲剪破坏的研究上。对(1)冲剪破坏发生后节点区的剩余承载能力,(2)连续倒塌过程中板柱结构的内力重分布机理等的认识都还比较有限。因此,2015年,澳大利亚Griffith University 的Hong Guan教授带领的团队和清华大学一起申请到Australian Research Council Discovery Project的资助,计划对板柱结构的连续倒塌机理进行深入研究。项目课题组在澳大利亚和北京分别开展了系列试验研究。其中,2016年10月课题组团队在澳大利亚Griffith University完成了本项目的首个板柱子结构连续倒塌试验,取得了预期的效果(图6)。本文对该试验的主要结果进行了介绍。

图6 2016年10月课题组团队在澳大利亚Griffith University完成了本项目的首个板柱子结构连续倒塌试验


二、研究内容

试验的原型结构为三层板柱结构(图7),取出其底层中间部分子结构进行试验研究(图8)。

 


图7 原型结构 

图8 试验子结构


本次试验有以下三个特点:

1 先在楼面上布置均布荷载,然后对中柱柱顶施加集中力,发生冲剪破坏后继续加载直至中柱节点区发生彻底破坏(图9);

2 在周围8个柱子柱脚安装了力传感器,量测加载过程中各个立柱的内力变化情况(图10);

3 进行了两个同样的构件试验,以检验试验结果的可重复性。

 

图9 试验试件和加载模式

 

图10 柱脚反力量测装置


试验得到的荷载位移曲线如图11所示,两个试件的重复度还是比较好的。构件在200多mm时冲剪破坏彻底发生。但是非常有意思的是,在冲剪破坏发生后,构件仍可通过拉膜机制、悬链线机制和销栓机制继续承受荷载,结构仍有一定的内力重分布能力(图12)。这一能力对结构的抗连续倒塌具有重要价值。 

图11 荷载位移曲线

 

图12 典型破坏模式


在试验过程中,我们同时观测了周围柱子柱脚的竖向反力(图13)。结果表明,90%的竖向反力由4个边柱传递,而4个角柱能分担的轴力很少。因而4个边柱进一步发生冲剪连续倒塌的风险较大。

 图13 柱脚反力


本文作者 薛慧中


另外这里打一个小广告,本项目澳大利亚方面Griffith University计划招收一名博士后(合同期一年),开展板柱试验的有限元分析工作。有意的请和我们联系。luxz@tsinghua.edu.cn。工作地点:澳大利亚黄金海岸


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