考虑边界影响的RC框架子结构抗连续倒塌机制试验研究

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意外荷载引起的结构初始局部破坏可能导致相邻构件破坏或整个结构连续倒塌。近年来,结构连续性倒塌事故频发,造成了巨大的人员伤亡和财产损失,也引起学术界对结构连续性倒塌的高度重视。而部分竖向承重构件失效后,提高剩余结构的承载力被认为是抵抗结构连续倒塌最有效的方法之一。因此,研究剩余结构构件的传力机理及增强剩余结构抗连续倒塌的能力,对提高建筑结构的安全性、防止重大工程灾害的发生、减少相应的经济损失和人员伤亡具有十分重要的意义。
  已有试验研究多是考虑中柱失效具有较强边界约束的梁柱子结构试验。在实际工程中,周围构件仅能提供有限的边界约束,结构发生连续倒塌时的压拱效应和悬链线效应也可能会影响周围构件并使其发生破坏。本文设计了3个拆除中柱的RC框架子结构。采用新型试验方法系统研究了框架子结构在拟静态荷载作用下的各项性能指标,揭示了边界约束较弱时RC框架子结构的抗力机制;分析了梁、柱、节点的相互作用,确定了子结构的破坏模式和抗连续倒塌承载能力,并分析了不同工程参数对连续倒塌的影响。
  本文主要研究内容和结论如下:
  ①框架子结构倒塌过程可划分为弯曲阶段、压拱阶段和悬链线阶段。其中,弯曲阶段和压拱阶段以受弯破坏为主,轴压力主要由底部支撑传递,而悬链线阶段以受拉破坏为主,轴拉力主要由顶部支撑传递。框架子结构最终的失效模式为中节点底部钢筋断裂伴随着边柱节点发生严重受拉破坏。
  ②框架子结构竖向抗力可分解为弯矩对抗力的贡献和轴力对抗力的贡献。悬链线阶段以前竖向抗力以弯矩提供的抗力为主,轴压力对竖向抗力贡献为负;悬链线阶段中后期竖向抗力以悬链线拉力提供的抗力为主。
  ③利用偏心受压构件的M-N曲线对框架子结构开展分析,发现受拉纵向钢筋在弯曲阶段结束时达到屈服,受压区混凝土在轴向压力达到峰值才被压溃。梁端截面的破坏表现为大偏心受压破坏,轴向压力的存在提高了梁端截面的极限承载力。
  ④节点抗震设计对框架子结构承载力影响不大。增大梁顶纵筋的配筋率可以显著提高结构的抗倒塌能力,但悬链线阶段子结构抗倒塌承载力的发展受边柱和节点破坏制约。
  ⑤基于已有压拱模型对试件的承载力进行预测,发现模型对压拱效应承载力预测具有较高的精度。以本文试件为例,基于压拱模型分别分析了边界约束刚度和混凝土强度对压拱效应承载力的影响,发现提高轴向约束刚度可以增强压拱效应承载力;提高转动约束对压拱效应承载力几乎没有影响;提高混凝土强度可以增强压拱效应承载力,但增强程度并不显著。
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