韓　賓（中國煤炭科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司,　南京　210031）

X形支撐對(duì)鋼框架抗連續(xù)倒塌性能的影響

韓賓
（中國煤炭科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司,南京210031）

摘要：本文選取一個(gè)鋼框架模型，通過SAP2000軟件，采用拆除構(gòu)件法分析了X形支撐對(duì)鋼框架抗連續(xù)性能的影響。合理設(shè)置的X形支撐能夠提高鋼框架的整體性、增加其安全儲(chǔ)備，而且對(duì)造價(jià)的影響不大，可以在鋼框架抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)中采用。

關(guān)鍵詞：X形支撐；連續(xù)倒塌；拆除構(gòu)件法；SAP2000

1　前言

連續(xù)倒塌是指，結(jié)構(gòu)在正常使用過程中，因遭遇突發(fā)事件，而發(fā)生局部破壞，受結(jié)構(gòu)本身的延性和連續(xù)性所限，局部破壞從初始位置沿構(gòu)件進(jìn)行傳遞，最終導(dǎo)致整個(gè)建筑物倒塌或者造成與初始破壞不成比例的倒塌[1]?！斑B續(xù)性”和“不成比例性”是連續(xù)倒塌的顯著特點(diǎn)。

X形支撐是鋼框架中心支撐的主要形式之一，應(yīng)用比較廣泛，本文通過SAP2000軟件分析、探討了X形支撐對(duì)鋼框架抗連續(xù)倒塌性能的影響。

2　分析模型和分析方法

2.1分析模型

本文選取一10層鋼框架，底層層高5m，其余層層高4m，縱橫向間距均為6m。純鋼框架為模型一，在2層滿跨設(shè)置X形支撐為模型二。構(gòu)件的截面尺寸見表1。模型一用鋼量為941.7t，模型二用鋼量為983.25t。

表1　框架截面尺寸

模型的結(jié)構(gòu)平面簡(jiǎn)圖如下圖所示。為便于分析對(duì)比，將框架柱、縱梁、橫梁以及節(jié)點(diǎn)分別編號(hào)為：Ci,j,k，LBi,j～j+1,k,以及Ji,j,k，其中i代表結(jié)構(gòu)的第i層框架，其取值范圍為1～10；j代表橫向軸線的編號(hào)次序，其取值范圍為a～f；而k則表示縱向軸線的編號(hào)，其取值范圍為1～6。

2.2分析方法

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》[2]中提出了防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)可采用的方法有：局部加強(qiáng)法、拉結(jié)構(gòu)件法、拆除構(gòu)件法；美國GSA2003關(guān)于拆除構(gòu)件法的規(guī)定為，假定瞬時(shí)“移除”建筑首層一根或幾根關(guān)鍵豎向承重構(gòu)件來模擬偶然事件對(duì)結(jié)構(gòu)的直接影響，以評(píng)估剩余結(jié)構(gòu)是否具備抵御連續(xù)性倒塌的性能[3]。本文選用拆除構(gòu)件法，通過SAP2000軟件模擬拆除模型的構(gòu)件C1,a,1、C1,c,3兩種工況來分析X形支撐對(duì)鋼框架抗連續(xù)倒塌性能的影響。

3　分析對(duì)比

3.1分析準(zhǔn)備

GSA2003指南對(duì)線性靜力分析方法，以需求能力比(DCR)作為線彈性分析的破壞準(zhǔn)則。

式中:QUD-突發(fā)事件發(fā)生時(shí)件構(gòu)件承受的作用(彎矩、軸力、剪力等)，由線性靜力分析求得；QCE-構(gòu)件預(yù)期的極限能力。

靜力分析時(shí)，移除構(gòu)件周邊豎向荷載應(yīng)考慮動(dòng)力增大系數(shù)：

式中DL-恒載標(biāo)準(zhǔn)值；LL-活載標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2工況一時(shí)兩模型抗連續(xù)倒塌性能的比較

移除角柱C1,a,1，在與C1,a,1直接相連的區(qū)域以及上部區(qū)域施加荷載2(DL+0.25LL)，其它區(qū)域施加荷載(DL+0.25LL)，然后對(duì)兩模型進(jìn)行分析，并提取與移除構(gòu)件相連梁的內(nèi)力、變形。

表2　工況一與移除構(gòu)件相連梁的彎矩值及DCR

從表2可知，支撐可以顯著減少與移除構(gòu)件相連梁的彎距值，模型一的DCR均大于0.5，而模型二的DCR均小于0.3；設(shè)置支撐后梁的左端彎距由正值變?yōu)樨?fù)值，正彎矩最大值移到跨中，為51.52 kN?m，遠(yuǎn)小于未設(shè)置支撐梁的370.72kN?m。

移除柱C1,a,1后，原來由C1,a,1承擔(dān)的軸力轉(zhuǎn)移到周邊柱，柱C2,a,1、C3,a,1的軸力變化也較大，結(jié)合未移除構(gòu)件時(shí)對(duì)兩種模型的分析，軸力變化如表3所示。

表3　工況一移除構(gòu)件周邊柱的軸力值

由表3可知，相鄰柱C1,a,2、C1,b,2的軸力增大為原來的2倍以上，C1,b,2的增大為原來的1.5倍左右，兩模型均如此，相差不大；但模型一C1,a,2、C1,a,3軸力急劇減小，而模型二的C2,a,1，軸力減小為原來的0.5倍左右，C3,a,1的軸力反而有所增大，說明設(shè)置支撐后，二層以上的角柱能夠分擔(dān)一定的豎向荷載。

此外，模型一在移除角柱C1,a,1后，節(jié)點(diǎn)J1,a,1的豎向位移為89.84mm,而設(shè)置支撐后能顯著減小J1,a,1的豎向位移，僅為36.24mm。

3.3工況二時(shí)兩模型抗連續(xù)倒塌性能的比較

移除內(nèi)柱C1,c,3，在與C1,c,3直接相連的區(qū)域及上部區(qū)域施加荷載2(DL+LL)，其它區(qū)域施加荷載(DL+LL)，分別對(duì)兩模型進(jìn)行分析，并提取內(nèi)力、變形。與移除構(gòu)件直接相連梁LB1,b～c,3、LB1,c～d,3、CB1,c,2～3以及CB1,c,3～4彎距變化較大，分析結(jié)果如表4所示。

表4　工況二與移除構(gòu)件相連梁的彎矩值及DCR

從表4可知，兩模型中與移除構(gòu)件相連梁的彎距變化很大，遠(yuǎn)離移除構(gòu)件端彎矩要大于靠近移除構(gòu)件端，模型一中，兩者的比在1.5倍左右，模型二中，兩者的比在8倍左右；設(shè)置支撐后，可以顯著減少與移除構(gòu)件相連梁的彎距值，正彎矩最大值移到跨中。

移除柱C1,c,3后，原來由C1,c,3承擔(dān)的軸力，轉(zhuǎn)移到周邊柱，柱C2,c,3、C3,c,3的軸力也發(fā)生較大變化，結(jié)合未移除構(gòu)件時(shí)對(duì)兩種模型的分析，軸力變化如表5所示。

表5　工況二移除構(gòu)件周邊柱的軸力值

移除內(nèi)柱C1,c,3后，其軸力主要由C1,c,2、C1,b,3、C1,d,3、C1,c,4分擔(dān)，軸力增加3000KN左右；設(shè)置支撐后，軸力的分布要更均勻；模型一柱C2,c,3、C3,c,3軸力急劇減小，而模型二的二層柱C2,c,3，軸力減小為原來的0.6倍左右，三層柱C3,c,3的軸力為原來的1.6倍左右，說明設(shè)置

支撐后，移除柱二層以上的柱能夠分擔(dān)一定的豎向荷載。此外，模型一在移除內(nèi)柱C1,c,3后，節(jié)點(diǎn)J1,c,3的豎向位移為106.42mm,而設(shè)置支撐后能顯著減小J1,c,3的豎向位移，僅為32.42mm。

4　結(jié)論

本文通過SAP2000分析軟件對(duì)模型一和模型二進(jìn)行了抗連續(xù)倒塌性能的分析和比較，得出以下結(jié)論：

兩模型的DCR值均小于2，但設(shè)置支撐后DCR值顯著減小，結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌安全儲(chǔ)備更大；移除構(gòu)件后，與模型一相比，模型二中與移除構(gòu)件相連梁的彎距變化幅度明顯偏??；移除構(gòu)件周邊柱的軸力更加均勻，而且設(shè)置支撐后移除構(gòu)件以上的柱能夠分擔(dān)部分豎向荷載；模型二在移除構(gòu)件上端的豎向位移僅為模型一的0.3倍左右。

模型二的用鋼量（983.25t）僅比模型一的用鋼量（941.75t）增加4.4%，對(duì)工程造價(jià)的影響不大，通過合理設(shè)置的X形支撐可以對(duì)鋼框架的抗連續(xù)倒塌起到一定的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]AmerieanSoeietyofCivi lEngineers(ASCE).Minimumdesign loadsforbui ldingsandothers t ruetures[C].ASCE7-05，Reston，Va.2006.

[2]GB50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[3]U.S.Genera lSer vi cesAdminis t rat ionGSA(2003b). ProgressiveCol lapseAnalysisandDesignGuidelinesforNew FederalOf ficeBuildingsandMajorModernizationProjects[C]. Washington，D.C，2003.