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鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌性能試驗(yàn)研究

2018-08-03 02:01:24李泓昊
關(guān)鍵詞:中柱鏈線抗力

張 雷 李泓昊

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150090)(哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程智能防災(zāi)減災(zāi)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150090)

建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌是一個(gè)高度非線性的復(fù)雜動力過程,因此很難利用簡單的結(jié)構(gòu)分析方法準(zhǔn)確地對該問題進(jìn)行研究.試驗(yàn)與數(shù)值模擬是研究連續(xù)性倒塌問題的兩大方法.連續(xù)性倒塌試驗(yàn)高成本、高難度、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)以及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的高速發(fā)展共同促使數(shù)值模擬成為研究建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的主要手段.然而,為了提高計(jì)算模型的準(zhǔn)確性以及可靠性,需要更多的高質(zhì)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證.

鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌試驗(yàn)可分為三大類:①平面雙跨梁柱子結(jié)構(gòu)試驗(yàn);②整體結(jié)構(gòu)體系試驗(yàn);③單層子結(jié)構(gòu)試驗(yàn).大部分連續(xù)性倒塌試驗(yàn)研究可歸為第1類,該類試驗(yàn)著重考察梁柱節(jié)點(diǎn)在中柱失效工況下的抗倒塌性能[1-6].通過密集地布置各類測量儀器,能夠較為精細(xì)地研究結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)理.然而,該類試驗(yàn)僅能考慮梁柱節(jié)點(diǎn)在平面內(nèi)的反應(yīng),忽略了對結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能具有重要影響的三維效應(yīng).第2類試驗(yàn)對完整建筑物在某(些)柱失效情況下的反應(yīng)進(jìn)行測試,從而評估該結(jié)構(gòu)體系的魯棒性.然而,由于需要利用即將拆除的建筑進(jìn)行試驗(yàn),而適合進(jìn)行倒塌試驗(yàn)的待拆建筑較難尋找,試驗(yàn)難度大,成本高昂,具有一定的危險(xiǎn)性,且難以布置測量儀器,因此該類試驗(yàn)比較稀少[7-8].考慮到前2類連續(xù)性倒塌試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn),第3類試驗(yàn)方案相對比較合理[9-10].這是由于:①它可以通過合理的儀器布置獲得充足的數(shù)據(jù),從而對各種抗倒塌力學(xué)機(jī)制進(jìn)行辨別和分析;②試驗(yàn)所用試件為三維,可以考慮三維效應(yīng)對結(jié)構(gòu)魯棒性的影響;③試件尺寸不會過大,試驗(yàn)可以在一般的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室中進(jìn)行.然而,現(xiàn)有的單層子結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌試驗(yàn)并沒有系統(tǒng)地定量闡明鋼框架結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌機(jī)理.

為了解決上述問題,本文進(jìn)行了一單層2跨×2跨的鋼框架結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌試驗(yàn),考察了該結(jié)構(gòu)在中柱失效工況下的抗連續(xù)性倒塌性能,定量地闡明了隨著結(jié)構(gòu)變形的增大,彎曲效應(yīng)以及懸鏈線效應(yīng)的發(fā)展及其對結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的貢獻(xiàn),并簡要分析了梁柱節(jié)點(diǎn)形式對結(jié)構(gòu)抗倒塌性能的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文所采用的原型結(jié)構(gòu)為按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2003)[11]設(shè)計(jì)的6層鋼框架結(jié)構(gòu),從原型結(jié)構(gòu)中取一個(gè)2跨×2跨的部分,按照1∶3的縮尺比設(shè)計(jì)并制作試件(見圖1).試件2個(gè)方向的跨度均為2 m,層高為1 m,并未考慮樓板作用.試件中的主梁、次梁以及柱均為H型鋼,所用鋼材為Q345,所有的梁柱節(jié)點(diǎn)均為全焊接剛性節(jié)點(diǎn),主梁與次梁則采用螺栓鉸接的形式.中柱為一400 mm長的無支撐短柱,以模擬中柱失效的工況,其余各柱的柱腳則用地錨固定在實(shí)驗(yàn)室剛性地板上.如圖1(b)所示,在試件第2層的中心位置留有一400 mm×400 mm的方框,加載裝置可以通過方框安裝到中心短柱上.方框四邊通過3根平行放置的H型鋼與周邊結(jié)構(gòu)構(gòu)件相連,以確保在加載過程中方框不產(chǎn)生過大的豎向位移.各柱的柱頂亦通過鋼梁相連.這種結(jié)構(gòu)布置可以有效地限制柱頂變形,以此模擬上部結(jié)構(gòu)對柱頂?shù)募s束作用.因此,盡管該試件有2層,但是2層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用僅僅是提供必要的邊界條件,因此本試驗(yàn)仍屬于第3類試驗(yàn),即單層子結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌試驗(yàn).主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸見表1.

(a) 一層平面

(b) 二層平面

1.2 加載與測量

采用備用荷載路徑法進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)push-down試驗(yàn),利用大行程液壓千斤頂對中柱柱頂施加豎向集中荷載.試驗(yàn)采用分級加載方式,在利用有限元計(jì)算模型估算的模型反應(yīng)的彈性范圍內(nèi)采用荷載控制,之后采用位移控制.試驗(yàn)裝置如圖2所示.在梁B-B12以及梁B-B23的跨中布置約束裝置以防止其側(cè)向變形.考慮到次梁對主梁側(cè)向變形的約束作用,梁B-AB2和梁B-BC2并沒有設(shè)置類似限位裝置.對加載裝置施加滑動約束,以保證整個(gè)試驗(yàn)過程中所施加的荷載保持豎直.考慮到安全問題,一旦鋼梁鋼材發(fā)生斷裂破壞,試驗(yàn)終止.

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸

觀測項(xiàng)目包括中柱豎向荷載以及豎向位移、主梁豎向變形、梁柱節(jié)點(diǎn)處的水平位移以及主梁關(guān)鍵截面(1/3跨和2/3跨截面)的應(yīng)變.

圖2 試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞模式

試驗(yàn)結(jié)束后,試件的破壞模式如圖3所示.加載初期,試件處于彈性工作階段,無明顯試驗(yàn)現(xiàn)象;中柱位移達(dá)到40 mm時(shí),中柱附近梁B-AB2以及B-BC2的上翼緣發(fā)生局部屈曲;中柱豎向位移達(dá)到200 mm后,連接主次梁的螺栓逐漸發(fā)生剪切破壞;位移達(dá)到300 mm時(shí),主梁發(fā)生彎扭屈曲;最終,當(dāng)中柱的豎向位移達(dá)到420 mm時(shí),中柱附近梁B-B12的下翼緣發(fā)生撕裂,試驗(yàn)停止.試驗(yàn)后期,由于主梁中產(chǎn)生的懸鏈線效應(yīng),試件周邊梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生明顯的朝向中柱方向的側(cè)向位移.

圖3 試件最終變形形態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 荷載-位移關(guān)系

圖4給出了中柱的豎向荷載與豎向位移的關(guān)系.由圖可見,試驗(yàn)初期,荷載隨位移線性增長,結(jié)構(gòu)反應(yīng)處于彈性階段,當(dāng)豎向荷載達(dá)到120 kN,所對應(yīng)的豎向位移為24 mm時(shí),彈性階段結(jié)束,結(jié)構(gòu)在彈性段的剛度約為5 000 kN/m.當(dāng)豎向位移在24~40 mm之間時(shí),曲線處于彈塑性階段,此時(shí)結(jié)構(gòu)反應(yīng)開始呈現(xiàn)非線性并且結(jié)構(gòu)剛度開始下降.豎向位移超過40 mm后,彈塑性階段結(jié)束,結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)入塑性范圍,然而此時(shí)中柱豎向位移和荷載的關(guān)系十分接近線性.因此,本試驗(yàn)得到的荷載-位移曲線可以用彈性階段剛度為5 000 kN/m,塑性階段剛度為620 kN/m(約為彈性階段剛度的12%)的雙線性模型近似.當(dāng)豎向位移達(dá)到421 mm時(shí),豎向荷載達(dá)到最大值385 kN,梁B-B12下翼緣鋼材隨即發(fā)生斷裂,出于安全考慮,試驗(yàn)終止.

圖4 荷載-位移曲線

由試驗(yàn)結(jié)果可知,施加在中柱的最大豎向荷載約為荷載設(shè)計(jì)值的5倍左右,由此可以確定,該結(jié)構(gòu)體系并沒有發(fā)生連續(xù)性倒塌的風(fēng)險(xiǎn).

3.2 梁柱節(jié)點(diǎn)水平位移

梁柱節(jié)點(diǎn)處的水平位移如圖5所示,圖中負(fù)值表示節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生向內(nèi)即朝向中柱的水平位移.MC-X-N為梁柱節(jié)點(diǎn)的編號,其中MC表示剛性節(jié)點(diǎn),X表示節(jié)點(diǎn)所連接的主梁,N表示節(jié)點(diǎn)所處梁端的方位.由圖5可看出,在加載初期即彈性和彈塑性階段,節(jié)點(diǎn)MC-B12-E和MC-B23-W產(chǎn)生遠(yuǎn)離中柱的水平位移,當(dāng)中柱豎向位移超過60 mm后,才逐漸向內(nèi)移動.而節(jié)點(diǎn)MC-AB2-N和MC-BC2-S則一直朝向中柱移動.當(dāng)中柱豎向位移小于100 mm時(shí),各梁柱節(jié)點(diǎn)的側(cè)向位移并不明顯(小于4 mm),且增長緩慢.但中柱豎向位移超過100 mm后,各節(jié)點(diǎn)朝向中柱方向的側(cè)向位移迅速增大,說明梁中的懸鏈線效應(yīng)開始發(fā)展.在試驗(yàn)結(jié)束之前,各節(jié)點(diǎn)向內(nèi)的側(cè)向位移均達(dá)到50 mm左右.這一現(xiàn)象證明結(jié)構(gòu)體系抵抗連續(xù)性倒塌的力學(xué)機(jī)制由彎曲機(jī)制逐漸向懸鏈線機(jī)制轉(zhuǎn)變.

圖5 梁柱節(jié)點(diǎn)的水平位移

4 抗倒塌力學(xué)機(jī)制分析

對于鋼框架結(jié)構(gòu),在中柱失效后,通常有2種力學(xué)機(jī)制能夠提供豎向抗力以抵抗連續(xù)性倒塌的發(fā)生:①受彎機(jī)制,即小變形情況下通過梁的抗彎效應(yīng)來抵抗倒塌;②懸鏈線機(jī)制,即大變形情況下由于梁端塑性鉸的形成,梁中產(chǎn)生大量軸力,能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體系提供抗力.如果能夠通過試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)對主梁的內(nèi)力即彎矩和軸力進(jìn)行分離和計(jì)算,就可對這2種抗倒塌力學(xué)機(jī)制的形成和發(fā)展進(jìn)行定量分析.整個(gè)加載過程中,布置在各主梁1/3跨以及2/3跨處截面的應(yīng)變片讀數(shù)均在2.0×10-3以內(nèi),說明這2個(gè)截面的材料在試驗(yàn)過程中始終保持彈性狀態(tài).同時(shí),這2個(gè)截面不會受到試驗(yàn)后期在中柱節(jié)點(diǎn)附近發(fā)生的鋼梁上翼緣的局部失穩(wěn)現(xiàn)象的影響,結(jié)構(gòu)的破壞并不會影響應(yīng)變片的測量精度.因此,可利用這2個(gè)截面的應(yīng)變片讀數(shù)計(jì)算主梁中內(nèi)力隨中柱豎向位移的變化.

假設(shè)某主梁距中柱1/3跨處截面S-X-2的內(nèi)力為VX-2,NX-2,MX-2, 距中柱2/3跨處截面S-X-3的內(nèi)力為VX-3,NX-3,MX-3(見圖6),其中下標(biāo)X代表主梁編號.主梁X的彎矩MX-2,MX-3以及軸力NX-2,NX-3可根據(jù)應(yīng)變片讀數(shù)直接求得,剪力VX-2以及VX-3可由梁中彎矩計(jì)算而得(見圖6(b)),即

(1)

利用S-X-2截面的剪力和軸力(見圖6),可計(jì)算某一主梁對結(jié)構(gòu)體系豎向抗力的貢獻(xiàn)為

(a) 計(jì)算模型

(b) 主梁截面內(nèi)力

FX=VX-2cosθX+NX-2sinθX

(2)

式中,θX為截面S-X-2的轉(zhuǎn)角,考慮到加載過程中S-X-2與S-X-3之間的梁段變形基本呈直線,故θX可根據(jù)S-X-2和S-X-3處的豎向位移確定,即

(3)

式(2)中,截面剪力以及軸力在豎直方向上的分量VX-2cosθX以及NX-2sinθX分別代表彎曲效應(yīng)以及懸鏈線對結(jié)構(gòu)體系抗倒塌能力的貢獻(xiàn).

中柱柱頂處所施加的豎向荷載為各主梁對結(jié)構(gòu)豎向抗力貢獻(xiàn)值之和,即

F=∑FX=∑(VX-2cosθX+NX-2sinθX)

(4)

圖7對比了彎曲效應(yīng)和懸鏈線效應(yīng)對結(jié)構(gòu)豎向抗力的貢獻(xiàn)隨中柱豎向位移的變化.結(jié)果顯示,當(dāng)中柱豎向位移小于40 mm時(shí),結(jié)構(gòu)的豎向抗力僅由彎曲效應(yīng)提供,主梁中并沒有軸力產(chǎn)生.當(dāng)中柱豎向位移增長到120 mm時(shí),梁中有少量軸力產(chǎn)生,由于懸鏈線效應(yīng)產(chǎn)生的抗力僅占結(jié)構(gòu)體系總抗力的5%左右;當(dāng)豎向位移達(dá)到240 mm時(shí),這一比例增長至17%;此后,隨著中柱豎向位移的進(jìn)一步增長,彎曲效應(yīng)對結(jié)構(gòu)豎向抗力的貢獻(xiàn)開始緩慢下降,而懸鏈線效應(yīng)產(chǎn)生的豎向抗力則迅速增加;當(dāng)中柱豎向位移增長至370 mm時(shí),懸鏈線效應(yīng)產(chǎn)生的豎向抗力超過彎曲效應(yīng)產(chǎn)生的豎向抗力,懸鏈線效應(yīng)成為結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的主要力學(xué)機(jī)制;試驗(yàn)臨近結(jié)束時(shí),懸鏈線效應(yīng)和彎曲效應(yīng)提供的豎向抗力占結(jié)構(gòu)總抗力的比例分別為60%和40%.總之,在小變形情況下,彎曲效應(yīng)是抵抗連續(xù)性倒塌的主要力學(xué)機(jī)制,此時(shí)懸鏈線效應(yīng)對結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的貢獻(xiàn)十分有限;然而,隨著中柱豎向位移的增長,懸鏈線效應(yīng)逐漸發(fā)展,對結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的貢獻(xiàn)越來越大;在大變形情況下,彎曲效應(yīng)對結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的貢獻(xiàn)雖然仍舊不可忽略,但懸鏈線效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的最終抗倒塌能力有著更為重要的影響.

這一現(xiàn)象與采用螺栓連接的半剛性與柔性節(jié)點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌性能試驗(yàn)結(jié)果[2-3]有明顯區(qū)別.這些試驗(yàn)中,在加載的最后階段,彎曲效應(yīng)由于部分螺栓的破壞而消失,結(jié)構(gòu)抗力僅由懸鏈線效應(yīng)提供.因此,節(jié)點(diǎn)形式對結(jié)構(gòu)的抗倒塌力學(xué)機(jī)制的發(fā)展起到?jīng)Q定性作用.

5 結(jié)論

1) 試件在中柱失效情況下表現(xiàn)出良好的魯棒性.試件可以承受的施加在中柱頂部的豎向集中荷載最大值達(dá)到385 kN,為中柱所承擔(dān)荷載設(shè)計(jì)值的5倍左右,中柱最大豎向位移可達(dá)421 mm.由此可以推斷,在中柱突然失效的情況下,該鋼框架結(jié)構(gòu)并不會發(fā)生連續(xù)性倒塌.

2) 在加載初期,彎曲效應(yīng)為結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)性倒塌的主要力學(xué)機(jī)制.在中柱豎向位移達(dá)到240 mm之前,彎曲效應(yīng)提供的豎向抗力占結(jié)構(gòu)總抗力的80%以上,此時(shí)主梁中雖然有軸力產(chǎn)生,但是懸鏈線效應(yīng)對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌能力的貢獻(xiàn)十分有限.

3) 大變形情況下,由于彎曲效應(yīng)產(chǎn)生的豎向抗力逐漸減小,而懸鏈線效應(yīng)則迅速發(fā)展,在中柱豎向位移達(dá)到370 mm時(shí),懸鏈線效應(yīng)對結(jié)構(gòu)豎向抗力的貢獻(xiàn)超越彎曲效應(yīng),成為主要的抗連續(xù)性倒塌力學(xué)機(jī)制,最終懸鏈線效應(yīng)產(chǎn)生的豎向抗力占總抗力的比例達(dá)到60%.在試驗(yàn)后期,雖然彎曲效應(yīng)對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌性能的貢獻(xiàn)有所減少,但依然顯著.

4) 節(jié)點(diǎn)形式對結(jié)構(gòu)的抗倒塌力學(xué)機(jī)制的發(fā)展起到?jīng)Q定性作用.

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