1、譯文為撤除兩根相鄰鋼筋混凝土填充框架結(jié)構(gòu)柱子的分析美國(guó)波士頓東北大學(xué)400snell工程研究中心 Mhhrdad Sasani摘要San Diego 酒店，一個(gè)六層鋼筋混凝土填充框架結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)以下的評(píng)估后決定撤除兩根相鄰的外墻柱子。運(yùn)用有限元法和應(yīng)用元素法建立結(jié)構(gòu)模型，并用這些模型去評(píng)估結(jié)構(gòu)整體和局部的變形。用此模型的分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有很好的一致性。撤除兩根相鄰的外墻柱子之后結(jié)構(gòu)不會(huì)倒塌，并且最大垂直位移只有四分之一英寸約6.4mm。伴隨著柱子的撤除，結(jié)構(gòu)高度內(nèi)的變形和動(dòng)態(tài)荷載重分配的過(guò)程被試驗(yàn)和理性的分析到了，并被描述出來(lái)。但是關(guān)于縱橫向波的分析，很多人提出了不同的觀點(diǎn)。有填充墻的橫向和縱

2、向三維整體框架被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)荷載重新分配的主要影響因素。兩個(gè)潛在的脆性模式的失敗被預(yù)知它們是由于預(yù)加固和預(yù)應(yīng)力鋼筋被抽出而導(dǎo)致梁的斷裂。導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化的原因是重力荷載的增加和填充墻的缺少。關(guān)鍵詞：倒塌，荷載重分布，承受荷載，動(dòng)態(tài)分析，非線性分析，脆性破壞一、導(dǎo)言 為了減少由于結(jié)構(gòu)的局部破壞而導(dǎo)致可能的大規(guī)模的傷亡，根底效勞部和國(guó)防部制定了法規(guī)以評(píng)估有可能倒塌的結(jié)構(gòu)。ASCESEI 7是這樣定義漸進(jìn)倒塌結(jié)構(gòu)的，即：由于局部的破壞逐漸開展到影響整個(gè)結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)的很大一局部破壞的結(jié)構(gòu)。以下介紹由Ellingwood 和Leyendecker 提出的方法。ASCESEI 7規(guī)定了兩種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法用以減

3、少由于結(jié)構(gòu)倒塌而帶來(lái)的損失。即：通過(guò)直接設(shè)計(jì)的方法和間接設(shè)計(jì)的方法。一般的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用間接設(shè)計(jì)方法即增加結(jié)構(gòu)的一體性。間接設(shè)計(jì)方法也用于國(guó)防部。盡管間接設(shè)計(jì)方法能夠減少結(jié)構(gòu)倒塌的危險(xiǎn)。但是對(duì)結(jié)構(gòu)衰竭過(guò)程的評(píng)估是不容易做到的。通過(guò)研究瞬時(shí)撤除承重結(jié)構(gòu)，例如柱子，是直接設(shè)計(jì)方法。它是用于評(píng)估危險(xiǎn)建筑的一種途徑。根底效勞部和國(guó)防部的法規(guī)要求撤除一個(gè)承重構(gòu)件。這些規(guī)定是為了評(píng)估完整結(jié)構(gòu)在受到嚴(yán)重破壞后荷載重新分配的能力。但在現(xiàn)實(shí)中一個(gè)小的初始破壞可能影響不止一個(gè)承重結(jié)構(gòu)因此San Diego 酒店同時(shí)撤除兩根外墻柱子在這項(xiàng)研究中利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明模型分析數(shù)據(jù)。伴隨著相鄰兩根柱子的爆破其中一根柱

4、子在角落逐漸的倒塌阻力是被估測(cè)的。為了爆破撤除柱子，炸藥被安裝在預(yù)先鉆好的洞中。柱子被包裝著數(shù)層防護(hù)材料。因此無(wú)論是空氣沖擊還是飛行的碎片都不會(huì)影響柱子本身。二、建筑特色San Diego 酒店建于1914年，而南輔樓建于1924年。輔樓包含兩個(gè)獨(dú)立的建筑。圖1顯示的是酒店的南立面圖。值得注意的是圖中第一和第三層布滿黑色涂料。酒店的六層是非韌性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，并用粘土空心磚填充外墻。輔樓的填充物中包含兩層粘土磚，一共大約203mm。首層層高大約6m,標(biāo)準(zhǔn)層層高是3.2m ,頂層層高是5.1m，圖2顯示了輔樓的二層，圖3顯示了這座建筑的典型結(jié)構(gòu)布置。這座建筑的改變是由于A2,A3兩根柱子從首

5、層的撤除被撤除的柱子A2,A3在圖3中標(biāo)出。圖1 San Diego酒店主樓南立面圖圖2 酒店二層結(jié)構(gòu)布置南立面樓蓋系統(tǒng)包括南北方向的次梁起作用。如圖3所示?；趯?duì)兩個(gè)混凝土試塊樣品的壓縮試驗(yàn)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)混凝土柱子的平均抗壓強(qiáng)度約是32Mpa。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度約為263Mpa。此外通過(guò)對(duì)兩種鋼材樣品的張力試驗(yàn)，它們的屈服極限和抗拉強(qiáng)度極限分別是427Mpa,600Mpa。鋼材的極限拉伸應(yīng)變是0.17。鋼的彈性模量是200000Mpa。這座建筑預(yù)定要拆爆，在撤除的過(guò)程中填充墻從一，三層中撤除，一，三層中就沒(méi)有活荷載。所有非結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括隔墻，水暖管線，家具在爆破之前被移走只有梁 ，柱，樓

6、板和梁周圍的填充墻被留了下來(lái)。三、傳感器 混凝土和鋼筋的應(yīng)變儀用于測(cè)量梁柱的應(yīng)變情況。線性電位器用于測(cè)量整體和局部的變形。混凝土應(yīng)變儀測(cè)量范圍是90 mm內(nèi)最大應(yīng)變是0.02。鋼鐵應(yīng)變儀測(cè)量最大應(yīng)變是0.02。這種應(yīng)變儀可以運(yùn)作采樣十萬(wàn)赫茲頻率的樣品。該實(shí)驗(yàn)的頻率是1000赫茲。線性電位器用于捕捉梁端區(qū)域和整體結(jié)構(gòu)的位移，并述出來(lái)。電位器精確到0.01mm之內(nèi)。并且最大運(yùn)行速度是1ms,但是在實(shí)驗(yàn)室中最大記錄速度是0.35ms。四、有限元模型由于采用限元方法，建筑的模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)得以開展。梁和柱被模型化為伯努利梁元素。梁由T型或L型。它們的有限寬度相當(dāng)于樓板高度的四倍。塑性鉸布置在所有鋼筋可能

7、屈服的地方；例如構(gòu)件邊緣，鋼筋被截?cái)嗟牡胤?，以及圖3 酒店結(jié)構(gòu)典型布置 一層撤除柱子被標(biāo)出鋼筋彎曲的地方。塑性鉸的特點(diǎn)被包括在梁柱使用區(qū)內(nèi)分析并且假定塑性鉸的長(zhǎng)度等同于構(gòu)件高度的一半。現(xiàn)在SAP2000的版本不能跟蹤構(gòu)件的裂縫。為了找到適當(dāng)?shù)目箯潉偠鹊慕孛?，一個(gè)迭代程序被應(yīng)用了。首先，建筑被假定為所有構(gòu)件均沒(méi)有裂紋。我們目前的需求是找到分子相對(duì)開裂彎矩Mcr。如果彎矩超過(guò)Mcr，梁柱的抗力系數(shù)將減少0.35。梁由于正負(fù)彎矩過(guò)大而開裂的彎矩分別是58.2kn.m,37.9kn.m 。值得注意的是沒(méi)有裂縫在柱子中形成。這時(shí)建筑結(jié)構(gòu)被重新分析，圖表被重新評(píng)估。這個(gè)過(guò)程一直反復(fù)進(jìn)行直到獲得該地區(qū)的正確

8、認(rèn)識(shí)并將其模型化。建筑結(jié)構(gòu)中的梁除了兩端沒(méi)有上部的鋼筋。例如沒(méi)有上部鋼筋提供超越混凝土本身的抗彎能力的地方都發(fā)生了破壞。如圖4，圖5中梁端12英寸處產(chǎn)生了破壞。為了模型化這些沒(méi)有上部鋼筋部位的潛在損失，塑性鉸產(chǎn)生的位置被分配到臨界位置，那里沒(méi)有上部鋼筋。這些鉸的彎曲強(qiáng)度等于Mcr 。這些地方當(dāng)彎矩到達(dá)Mcr時(shí)將產(chǎn)生破壞。包括次梁的樓蓋系統(tǒng)在南北縱向方向。圖6顯示了一個(gè)典型樓蓋的斷面圖。為了防止?jié)撛跇巧w系統(tǒng)的非線性變化，樓蓋中加了次梁，并且次梁被做成T型。 圖4 二層中梁A3-B3，A1-A2和柱的配筋布置T型梁的有效高度是樓板厚度的四倍?？紤]到軸線2和3之間的間距較大，兩個(gè)寬20英寸的矩形梁被

9、安置在軸線2和3之間。這樣模型就和實(shí)際的結(jié)構(gòu)形似了。在梁板之間的剪切流是有區(qū)別的。正因?yàn)槿绱丝古偠仍O(shè)置為全部的一半。在2，4，5，6層的填充這些洞口門或者窗戶。如先前所述作為撤除的步驟，在1，3兩層的填充墻在測(cè)試之前被移走。處于良好狀態(tài)的空心粘土磚是填充墻的材料。粘土磚的面積大約占?jí)w面積的一半。填充墻不僅影響結(jié)構(gòu)的剛度和極限承載力，還影響結(jié)構(gòu)在撤除兩根柱子之后的反響。如果在模型中忽略了填充墻的作用將低估結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。墻上有一些洞口門或者窗戶。如先前所述作為撤除的步驟，在1，3兩層的填充墻在測(cè)試之前被移走。處于良好狀態(tài)的空心粘土磚是填充墻的材料。粘土磚的面積大約占?jí)w面積的一半。填充墻不

10、僅影響結(jié)構(gòu)的剛度和極限承載力，還影響結(jié)構(gòu)在撤除兩根柱子之后的反響。如果在模型中忽略了填充墻的作用將低估結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。利用SAP2000電腦程序，有兩種關(guān)于填充墻的選擇。模型A：填充墻認(rèn)為是二維殼單元。模型B：填充物是FEMA356。4.1 模型A(填充物認(rèn)為是模擬殼單元)填充物認(rèn)為是模擬殼單元，然而目前版本的SAP2000電腦程序僅包括線形殼單元并且不能開裂。填充墻的抗拉強(qiáng)度被設(shè)置為26psi。彈性模量是38psi。由于裂縫形式對(duì)圖5 梁上部的彎曲破壞填充墻的剛度有重要影響，以下迭代程序用來(lái)描述裂縫形式。假設(shè)填充墻是線性的并且沒(méi)有裂縫。用非線性時(shí)程分析填充墻。由于在梁中存在塑性鉸，當(dāng)超過(guò)開

11、裂彎矩時(shí)梁的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將降低。填充墻的開裂形式是在填充墻抗拉強(qiáng)度的分析過(guò)程中板殼結(jié)構(gòu)中應(yīng)力開展決定的。當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度時(shí)所有節(jié)點(diǎn)都將破壞。這些步驟將反復(fù)進(jìn)行直到開裂區(qū)域被模型化。 圖6 典型的樓板布置4.2模型B填充墻的材料是FEMA356。當(dāng)柱子撤除之后，填充材料的方向?qū)Q定結(jié)構(gòu)變形的形狀。4.3 柱子撤除按照以下步驟柱子被同時(shí)撤除在永久荷載下結(jié)構(gòu)被分析，在被移去柱子的端部，內(nèi)力被計(jì)算出來(lái)模型是移去第一層柱子A2和A3。同樣結(jié)構(gòu)在永久荷載下被靜態(tài)分析。在這種情況下，在被撤除柱子的兩端首先發(fā)現(xiàn)由永久荷載產(chǎn)生的內(nèi)力。注意這時(shí)分析的結(jié)果和步驟一相同。軸力和剪力在一毫秒內(nèi)被動(dòng)態(tài)的分配到柱子頂部，此時(shí)動(dòng)態(tài)分析還在繼續(xù)。4.4分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的比擬最大計(jì)算垂直位移發(fā)生在A3的二層位置。圖7顯示了試驗(yàn)和分析柱子的最大位移。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得是通過(guò)柱A3的上下兩端的應(yīng)變儀測(cè)得的。試驗(yàn)和分析圖7 二層中柱A3的試驗(yàn)和分析的最大垂直位移的最大位移分別是6.1mm和6.4mm。它們相差約4%。試驗(yàn)和分析的相對(duì)最大位移發(fā)生的時(shí)間分別是0.069s和0.066s。分析結(jié)果顯示永久位移約為5.3mm這個(gè)結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差14%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)位移是6.1 mm 圖8 由模型A,B分析二層柱A3的最大垂直位移和時(shí)間的關(guān)系 圖8是二層柱A3通過(guò)模型A ,B分別分析的最大垂直位