新论文：地震-连续倒塌综合防御组合框架结构体系研究
地震-连续倒塌综合防御组合框架结构体系研究
Improvement to composite frame systems for seismic and progressive collapse resistance
Engineering Structures
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.02.006
研究背景介绍
抗震设计本质上是设法抵御由于地面运动在建筑物上引起的整体动力惯性力作用。而抗连续倒塌设计本质上是由于偶然荷载引起局部结构破坏后，保障剩余结构具有足够的内力重分布能力。简而言之，抗震设计需要抵抗一个整体的水平作用力，而抗连续倒塌设计需要抵抗一个局部的竖向作用力，二者存在明显的差异。已有研究表明，针对特定灾害的设计方法会影响结构抵抗其他灾害的性能。
参见此前文章：
新论文：这个混凝土框架能抗震，能防连续倒塌，还功能可恢复，您不进来看看么？
因此，如何实现结构抗震-抗连续倒塌综合防御是一个亟待解决的问题。
什么是SPCRCF？
SPCRCF——地震-连续倒塌综合防御组合框架（Seismic and Progressive Collapse Resistant Composite Frame）
SPCRCF结构示意图如图1(a)、(b)所示，图1(c)、(d)为对应的节点区构造示意图，整体结构由方钢管混凝土柱、H型钢梁、预应力钢绞线、加劲角钢耗能构件（由加劲肋板和角钢组成，如图1(e)所示，详见前期文章 新论文：受折纸启发的可更换承载-耗能双功能耗能器 | SOIL DYN EARTHQ ENG）及大变形抗剪板组成，节点的装配如图1(f)所示。为了平衡节点耗能性能与自复位性能，加劲角钢耗能构件与自复位钢绞线所提供的节点屈服弯矩可分别取为节点总屈服弯矩的50%。
地震作用下，结构整体变形如图1(a)所示，对应的节点变形如图1(c)所示，结构损伤主要集中在加劲角钢耗能构件，其他关键构件震后损伤小，同时预应力钢绞线可保证节点的自复位，实现结构震后的快速恢复。连续倒塌工况下，结构整体变形如图1(b)所示，对应的节点变形如图1(d)所示，节点区的大变形抗剪板为梁柱间的相互转动提供充足的变形空间，加劲角钢耗能构件及预应力钢绞线一起提供充足的连续倒塌抗力和备用传力路径，避免局部构件损伤在整体结构中漫延而导致整体结构的连续倒塌。
图1 SPCRCF示意图
试验概述
抗震子结构试验装置与抗连续倒塌子结构试验装置如图2(a)、(b)所示。
(a) 抗震试验装置
(b) 抗连续倒塌试验装置
图2 试验装置布置图
简化版试验结果（与常规组合框架试件对比）（图3）
(a) 抗震性能试验
(b) 抗连续倒塌性能试验
图3 试验结果
有限元模拟
根据已有试验数据，以广泛应用的非线性有限元软件MSC.Marc为平台，建立了SPCRC试件与常规试件的精细有限元模型。所有精细有限元模型均采用实体单元模拟。由于试验中钢管混凝土柱保持弹性，所以有限元模型中的混凝土采用弹性模型。有限元模型中不同构件间“接触”的设置与实际情况保持一致；螺栓以及钢绞线中的预应力通过温度应力来模拟；有限元模型中H型钢梁以及加劲肋板的初始缺陷模拟采用Eurocode 3以及《钢结构设计标准》（GB 50017－2017）中提出的方法，即通过对构件施加等效均布荷载使得计算模型的变形与实际构件初始变形一致。构件会逐渐破坏失效而退出工作的行为，在有限元模拟中，采用生死单元技术来实现。在MSC.Marc 2007通用有限元分析中，可以方便的采用UACTIVE子程序接口，当应变达到材料失效应变后杀死相应单元。
常规试件与SPCRC试件的有限元模型如图4所示。
图4 有限元模型
抗震试验与有限元结果对比如图5所示；抗连续倒塌试验与有限元结果对比如图6所示。
图5 抗震试验与有限元模拟对比
图6 抗连续倒塌试验与有限元模拟对比
结论
结构的多灾害防御是未来土木工程发展的新方向，为了提升钢混组合框架结构的地震－连续倒塌综合防御性能，本文结合提出了新型SPCRCF，通过试验对比了常规框架及新型框架的抗震性能及抗连续倒塌性能，并基于通用有限元软件MSC. Marc，对常规框架和新型框架的滞回试验和子结构连续倒塌试验进行了有限元模拟。结果表明：
（1）新型SPCRC试件在低周往复荷载下的初始刚度与承载力与常规试件相似，但是相比常规试件，表现出低损伤、残余变形小等特性，经简单修复即可重复进行试验，具有稳定的抗震性能；
（2）在局部竖向构件遭到破坏情况下，相比常规试件，新型SPCRC试件可以实现节点的大转动，具有更好的延性；同时加载后期的承载力高，具有更高的安全储备，因此具有更好的抗连续倒塌性能；
（3）基于本文提出的有限元模型可以准确模拟上述试件在滞回荷载及连续倒塌工况下的荷载－位移响应，可较为准确的把握结构的受力特性。
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张磊
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