多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的深度剖析與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進(jìn)程的加速，土地資源愈發(fā)緊張，為了滿足日益增長(zhǎng)的人口對(duì)居住、辦公和商業(yè)空間的需求，多高層建筑如雨后春筍般在城市中拔地而起。在眾多的建筑結(jié)構(gòu)類型中，多高層鋼框架結(jié)構(gòu)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)代建筑領(lǐng)域的重要選擇。鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕的特點(diǎn)，在相同的承載能力要求下，鋼材所占用的截面面積較小，能夠有效減少建筑結(jié)構(gòu)的自重，降低對(duì)地基的壓力，這對(duì)于在地質(zhì)條件復(fù)雜或?qū)ㄖ灾赜袊?yán)格限制的區(qū)域進(jìn)行建設(shè)尤為重要。同時(shí)，鋼材質(zhì)地均勻，各向異性小，離散性低，使得結(jié)構(gòu)材料分析更加穩(wěn)定可靠，其良好的熱可塑性賦予了結(jié)構(gòu)出色的抗伸延性和抗震性能，能夠在地震等自然災(zāi)害中表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，有效保障建筑內(nèi)人員的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。此外，鋼結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件均可在工廠預(yù)制加工，現(xiàn)場(chǎng)只需按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行組裝，大大縮短了工期，提高了施工效率，這對(duì)于追求快速建設(shè)和投入使用的現(xiàn)代建筑項(xiàng)目來(lái)說具有極大的吸引力。因此，多高層鋼框架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于高層建筑、大跨度建筑以及對(duì)建筑功能和空間有特殊要求的場(chǎng)所，如寫字樓、酒店、展覽館、體育館等，成為城市現(xiàn)代化建設(shè)的重要標(biāo)志。然而，近年來(lái)，多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌事故時(shí)有發(fā)生，給社會(huì)帶來(lái)了巨大的危害。2001年美國(guó)紐約世貿(mào)大樓遭受恐怖襲擊后倒塌，造成近3000人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)千億美元，這一事件震驚全球，也讓人們深刻認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下的安全問題的嚴(yán)重性。2021年11月23日，浙江金華開發(fā)區(qū)“湖畔里”項(xiàng)目在建工地發(fā)生一起鋼結(jié)構(gòu)架倒塌較大事故，截至25日8時(shí)共造成6人死亡、6人受傷，該事故不僅導(dǎo)致了人員傷亡，還對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)秩序和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響。這些事故的發(fā)生，不僅造成了慘重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還引發(fā)了社會(huì)的恐慌和對(duì)建筑安全的信任危機(jī)。建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是指由于偶然荷載作用，如爆炸、撞擊、火災(zāi)、地震等，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的某一部分發(fā)生初始破壞，隨后與初始失效構(gòu)件相連的構(gòu)件也相繼破壞，這種破壞在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不斷傳播和擴(kuò)展，最終造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與初始破壞程度不成比例的大面積破壞甚至整個(gè)結(jié)構(gòu)的坍塌。連續(xù)倒塌事故的發(fā)生往往具有突發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性，其破壞范圍和后果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常設(shè)計(jì)荷載下的預(yù)期，使得傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法難以有效應(yīng)對(duì)。因此，深入研究多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能，揭示其在偶然荷載作用下的倒塌機(jī)理和破壞模式，對(duì)于提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，預(yù)防連續(xù)倒塌事故的發(fā)生具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從保障建筑安全的角度來(lái)看，研究多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能是確保建筑在全生命周期內(nèi)正常使用的關(guān)鍵。在建筑的設(shè)計(jì)階段，通過對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的分析和評(píng)估，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件設(shè)計(jì)，合理布置支撐、加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接等，提高結(jié)構(gòu)的冗余度和整體性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在面對(duì)偶然荷載時(shí)的抵抗能力。在施工過程中，根據(jù)抗連續(xù)倒塌性能的研究成果，制定科學(xué)合理的施工方案和安全措施，確保施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全。在建筑的使用階段，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理結(jié)構(gòu)的損傷和隱患，防止因結(jié)構(gòu)性能退化而引發(fā)連續(xù)倒塌事故。從保障公共安全的角度來(lái)看，多高層鋼框架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于人員密集的公共場(chǎng)所，如商場(chǎng)、學(xué)校、醫(yī)院等，其安全性能直接關(guān)系到公眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。一旦發(fā)生連續(xù)倒塌事故，將對(duì)大量人員的生命安全構(gòu)成威脅，引發(fā)嚴(yán)重的社會(huì)后果。因此，研究多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能，對(duì)于維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、保障公共安全具有重要的戰(zhàn)略意義。它不僅有助于提高建筑行業(yè)的整體安全水平，還能夠增強(qiáng)公眾對(duì)建筑安全的信心，促進(jìn)社會(huì)的和諧發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的研究在國(guó)內(nèi)外均受到廣泛關(guān)注，眾多學(xué)者從試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬等多個(gè)方面展開深入探索，取得了豐碩的成果。在試驗(yàn)研究方面，國(guó)外開展了一系列具有代表性的試驗(yàn)。1995年，美國(guó)的FEMA-277報(bào)告中，對(duì)一座5層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了火災(zāi)下的連續(xù)倒塌試驗(yàn)，通過模擬火災(zāi)場(chǎng)景，觀察結(jié)構(gòu)在高溫作用下的力學(xué)性能變化以及倒塌過程，分析了火災(zāi)對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)火災(zāi)導(dǎo)致鋼材強(qiáng)度和彈性模量下降，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)變形過大和失穩(wěn)倒塌。2003年，英國(guó)的BRE對(duì)一座3層鋼框架進(jìn)行了拆除柱試驗(yàn)，采用逐步拆除柱子的方法，模擬結(jié)構(gòu)在局部構(gòu)件失效后的力學(xué)響應(yīng)，揭示了結(jié)構(gòu)在連續(xù)倒塌過程中的傳力路徑和破壞模式，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)在柱失效后，會(huì)通過梁的懸鏈線效應(yīng)和節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)重新分配內(nèi)力，以抵抗倒塌。國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)研究也在不斷推進(jìn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的馬亞東等人于2016年進(jìn)行了一個(gè)2層空間鋼框架模型的抗連續(xù)倒塌性能擬靜力試驗(yàn)，通過對(duì)框架模型在連續(xù)倒塌過程中荷載及關(guān)鍵部位位移、應(yīng)變的分析，揭示了空間鋼框架結(jié)構(gòu)在連續(xù)倒塌過程中力學(xué)機(jī)制的變化情況，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷彈性階段、彈塑性階段、過渡階段和懸鏈線效應(yīng)階段的倒塌破壞過程，基于能量守恒原理，對(duì)結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌過程中的動(dòng)力放大系數(shù)的變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)美國(guó)GSA規(guī)范中的動(dòng)力放大系數(shù)2并不完全適用于該試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的研究提供了重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。理論分析方面，國(guó)外學(xué)者提出了多種理論和方法。1972年，Vanderbilt和Trahair提出了基于塑性鉸理論的結(jié)構(gòu)倒塌分析方法，該方法通過確定結(jié)構(gòu)中塑性鉸的形成順序和位置，來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的倒塌模式和極限承載力，為結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的理論分析奠定了基礎(chǔ)。2001年，英國(guó)的Smith和Elghazouli基于能量平衡原理，建立了結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的分析模型，通過計(jì)算結(jié)構(gòu)在倒塌過程中的能量變化，評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能，該模型考慮了結(jié)構(gòu)的非線性行為和構(gòu)件的失效模式，為結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的量化分析提供了新的思路。國(guó)內(nèi)學(xué)者也在理論研究方面取得了顯著成果。同濟(jì)大學(xué)的李國(guó)強(qiáng)等人提出了基于結(jié)構(gòu)魯棒性的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法，通過提高結(jié)構(gòu)的冗余度、內(nèi)力重分布能力和關(guān)鍵構(gòu)件的承載能力，來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能，該方法從結(jié)構(gòu)整體性能的角度出發(fā)，為多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。清華大學(xué)的葉列平等人對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的連續(xù)倒塌機(jī)理進(jìn)行了深入研究，提出了考慮地震動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)的連續(xù)倒塌分析方法，該方法考慮了地震作用的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)在地震過程中的損傷累積，為鋼框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展為多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的研究提供了強(qiáng)大的工具。國(guó)外常用的有限元軟件如ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA等在結(jié)構(gòu)倒塌模擬中得到廣泛應(yīng)用。2005年，美國(guó)的Lu和Yao利用LS-DYNA軟件對(duì)一座10層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗連續(xù)倒塌數(shù)值模擬，考慮了材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等因素，模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性，通過模擬分析，揭示了結(jié)構(gòu)在不同倒塌工況下的破壞模式和內(nèi)力分布規(guī)律。國(guó)內(nèi)學(xué)者也利用數(shù)值模擬技術(shù)開展了大量研究。北京工業(yè)大學(xué)的杜修力等人利用ABAQUS軟件對(duì)多高層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗連續(xù)倒塌性能分析，研究了不同結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件尺寸和節(jié)點(diǎn)連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響，通過數(shù)值模擬，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，提高了結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。盡管國(guó)內(nèi)外在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能研究方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足和待解決的問題。在試驗(yàn)研究方面，由于試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，目前的試驗(yàn)研究大多針對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)于復(fù)雜的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)研究相對(duì)較少，難以全面反映實(shí)際結(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜工況下的抗連續(xù)倒塌性能。在理論分析方面，現(xiàn)有的理論方法大多基于簡(jiǎn)化的假設(shè)和模型，難以準(zhǔn)確考慮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜非線性行為和構(gòu)件之間的相互作用，對(duì)于結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)和倒塌過程的預(yù)測(cè)精度有待提高。在數(shù)值模擬方面，雖然數(shù)值模擬技術(shù)能夠模擬結(jié)構(gòu)的倒塌過程，但模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于材料模型、本構(gòu)關(guān)系和邊界條件的合理選取，目前還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法，不同軟件和模型之間的模擬結(jié)果存在一定差異，影響了數(shù)值模擬技術(shù)的可靠性和應(yīng)用范圍。此外，對(duì)于多高層鋼框架結(jié)構(gòu)在多種偶然荷載耦合作用下的抗連續(xù)倒塌性能研究還相對(duì)較少，如地震與火災(zāi)、爆炸與撞擊等耦合作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和倒塌機(jī)理尚不明確，需要進(jìn)一步開展深入研究。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文圍繞多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能展開深入研究，具體研究?jī)?nèi)容和方法如下：多高層鋼框架結(jié)構(gòu)模型的建立：運(yùn)用有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立不同類型、不同高度的多高層鋼框架結(jié)構(gòu)三維模型。在建模過程中，充分考慮材料非線性、幾何非線性以及構(gòu)件之間的連接方式等因素，確保模型能夠真實(shí)準(zhǔn)確地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。對(duì)于材料非線性，選用合適的本構(gòu)模型來(lái)描述鋼材在復(fù)雜受力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN），該模型能夠較好地模擬鋼材的屈服、強(qiáng)化和包辛格效應(yīng)。考慮幾何非線性時(shí)，采用大變形理論，以捕捉結(jié)構(gòu)在倒塌過程中產(chǎn)生的大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。在處理構(gòu)件連接時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況將節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為剛性連接、半剛性連接或鉸接，通過合理設(shè)置節(jié)點(diǎn)的剛度和強(qiáng)度參數(shù)，模擬節(jié)點(diǎn)在受力過程中的力學(xué)行為。抗連續(xù)倒塌性能的數(shù)值模擬分析：利用建立的有限元模型，依據(jù)美國(guó)GSA2016《ProgressiveCollapseAnalysisandDesignGuidelinesforNewFederalOfficeBuildingsandMajorModernizationProjects》和英國(guó)BS8110《Structuraluseofconcrete》等相關(guān)規(guī)范，采用拆除構(gòu)件法對(duì)多高層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌性能的數(shù)值模擬分析。在模擬過程中，按照規(guī)范要求選取不同位置的柱子作為初始失效構(gòu)件，模擬結(jié)構(gòu)在柱子失效后的力學(xué)響應(yīng)，分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布規(guī)律、變形發(fā)展過程以及倒塌破壞模式。研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)，如梁、柱的截面尺寸，結(jié)構(gòu)的跨數(shù)、層數(shù)等，對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響。通過改變梁、柱的截面尺寸，觀察結(jié)構(gòu)在相同倒塌工況下的內(nèi)力和變形變化，分析截面尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力和剛度的影響規(guī)律；改變結(jié)構(gòu)的跨數(shù)和層數(shù)，研究結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和冗余度在不同規(guī)模下的變化情況，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。抗連續(xù)倒塌性能的理論分析：從結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)等基本理論出發(fā)，深入探討多高層鋼框架結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下的抗連續(xù)倒塌機(jī)理。研究結(jié)構(gòu)在局部構(gòu)件失效后，通過內(nèi)力重分布來(lái)維持整體穩(wěn)定性的能力，分析結(jié)構(gòu)的冗余度、傳力路徑以及關(guān)鍵構(gòu)件的作用?；诮Y(jié)構(gòu)力學(xué)的力法和位移法，建立結(jié)構(gòu)在連續(xù)倒塌過程中的力學(xué)分析模型，推導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的計(jì)算公式，從理論上揭示結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的力學(xué)本質(zhì)。同時(shí)，考慮材料的非線性特性和結(jié)構(gòu)的幾何非線性，對(duì)理論模型進(jìn)行修正和完善，提高理論分析的準(zhǔn)確性和可靠性。結(jié)果對(duì)比與分析：將數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法和理論分析模型的準(zhǔn)確性和可靠性。分析兩者之間的差異，探討差異產(chǎn)生的原因，如數(shù)值模擬中模型簡(jiǎn)化、計(jì)算參數(shù)選取等因素對(duì)結(jié)果的影響，以及理論分析中假設(shè)條件與實(shí)際情況的偏差等。通過對(duì)比分析，進(jìn)一步完善數(shù)值模擬方法和理論分析模型，提高對(duì)多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的研究水平。此外，還將不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的抗連續(xù)倒塌性能結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響規(guī)律，為多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)和參考。二、多高層鋼框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的相關(guān)理論2.1連續(xù)倒塌的定義與機(jī)理結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌是指結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下，如爆炸、撞擊、火災(zāi)等，初始的局部破壞沿著構(gòu)件不斷傳播和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生與初始破壞程度不成比例的大范圍倒塌甚至整體倒塌的現(xiàn)象。美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)（ASCE）在《建筑或其它結(jié)構(gòu)最小設(shè)計(jì)荷載》中將“連續(xù)倒塌”定義為：初始局部破壞從構(gòu)件到構(gòu)件不斷傳播，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)最終發(fā)生整體倒塌或與初始破壞不成比例的大范圍的局部倒塌。這種倒塌模式往往具有突發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性，其破壞范圍和后果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常設(shè)計(jì)荷載下的預(yù)期，會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。多高層鋼框架結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下發(fā)生連續(xù)倒塌的力學(xué)機(jī)理較為復(fù)雜，涉及到多個(gè)方面的力學(xué)行為和現(xiàn)象。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到偶然荷載作用時(shí)，首先會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)件發(fā)生破壞。以爆炸荷載為例，爆炸產(chǎn)生的沖擊波具有極高的壓力和能量，會(huì)直接作用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，使構(gòu)件受到巨大的沖擊力。在這種沖擊力的作用下，構(gòu)件可能會(huì)發(fā)生彎曲、剪切、拉伸等變形，當(dāng)變形超過構(gòu)件的承載能力時(shí)，構(gòu)件就會(huì)發(fā)生斷裂、局部屈曲等破壞形式。如鋼梁在爆炸沖擊下，可能會(huì)出現(xiàn)腹板局部屈曲、翼緣撕裂等現(xiàn)象；鋼柱可能會(huì)發(fā)生柱身彎曲、柱腳破壞等。一旦局部構(gòu)件發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)的傳力路徑就會(huì)發(fā)生改變，原本由失效構(gòu)件承擔(dān)的荷載需要重新分配到相鄰的構(gòu)件上，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布。在這個(gè)過程中，結(jié)構(gòu)會(huì)通過多種機(jī)制來(lái)抵抗倒塌，其中梁的懸鏈線效應(yīng)和壓拱效應(yīng)是兩個(gè)重要的機(jī)制。在鋼框架結(jié)構(gòu)中，當(dāng)某根柱子失效后，與該柱相連的梁會(huì)在豎向荷載作用下發(fā)生撓曲變形。隨著變形的增大，梁會(huì)逐漸進(jìn)入塑性階段，梁內(nèi)的拉力逐漸增大，形成類似懸索的受力狀態(tài)，即懸鏈線效應(yīng)。此時(shí)，梁通過懸鏈線效應(yīng)將豎向荷載傳遞到相鄰的柱子上，以維持結(jié)構(gòu)的平衡。而當(dāng)梁的兩端受到一定的約束時(shí)，在豎向荷載作用下，梁會(huì)產(chǎn)生拱的作用，形成壓拱效應(yīng)。壓拱效應(yīng)可以使梁在一定程度上承受更大的豎向荷載，從而提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。結(jié)構(gòu)的變形也是連續(xù)倒塌過程中的一個(gè)重要方面。在局部構(gòu)件破壞和內(nèi)力重分布的過程中，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的變形，包括豎向位移、水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng)等。這些變形會(huì)進(jìn)一步影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和傳力路徑。隨著結(jié)構(gòu)變形的增大，結(jié)構(gòu)的幾何形狀會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度降低，內(nèi)力分布更加不均勻。當(dāng)結(jié)構(gòu)的變形超過一定限度時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)失去穩(wěn)定性，最終發(fā)生倒塌。在鋼框架結(jié)構(gòu)中，過大的豎向位移可能會(huì)導(dǎo)致梁與柱之間的節(jié)點(diǎn)連接失效，從而使結(jié)構(gòu)的傳力路徑中斷；水平位移可能會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾斜，增加結(jié)構(gòu)倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。2.2抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)理論多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)旨在確保結(jié)構(gòu)在遭受偶然荷載作用，導(dǎo)致局部構(gòu)件破壞時(shí)，能夠通過合理的傳力路徑和力學(xué)機(jī)制，維持整體穩(wěn)定性，避免發(fā)生與初始破壞不成比例的大范圍倒塌。目前，常用的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)理論主要包括備用荷載路徑法和拆除構(gòu)件法。備用荷載路徑法，又稱為間接設(shè)計(jì)法，其核心原理是通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系的連續(xù)性和延性，為結(jié)構(gòu)提供多種潛在的荷載傳遞路徑。當(dāng)結(jié)構(gòu)中的某個(gè)主要承載構(gòu)件因偶然作用而失效時(shí)，結(jié)構(gòu)能夠自動(dòng)調(diào)整內(nèi)力分布，使原本由失效構(gòu)件承擔(dān)的荷載通過其他構(gòu)件傳遞，形成新的“搭橋”傳力體系，從而維持結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)的整體穩(wěn)定性。以鋼框架結(jié)構(gòu)中的某根柱子失效為例，與之相連的梁會(huì)通過自身的變形和內(nèi)力重分布，將荷載傳遞給相鄰的柱子，避免因柱子失效而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部或整體失穩(wěn)。在實(shí)際應(yīng)用中，備用荷載路徑法主要通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件布置來(lái)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)時(shí)，增加梁的冗余度，使梁在承受額外荷載時(shí)能夠通過懸鏈線效應(yīng)等力學(xué)機(jī)制，將荷載有效地傳遞到相鄰的支撐構(gòu)件上。此外，還可以通過設(shè)置斜撐、交叉支撐等構(gòu)件，增加結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和傳力路徑，提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠從結(jié)構(gòu)整體布局和體系設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，為結(jié)構(gòu)提供較為全面的抗連續(xù)倒塌能力。然而，其缺點(diǎn)也較為明顯，由于該方法主要關(guān)注結(jié)構(gòu)體系的整體性和冗余度，對(duì)于局部構(gòu)件的具體性能和失效模式考慮相對(duì)較少，可能導(dǎo)致在某些情況下，結(jié)構(gòu)雖然具有較多的備用荷載路徑，但局部構(gòu)件的承載能力不足，仍然無(wú)法有效抵抗連續(xù)倒塌。拆除構(gòu)件法，也被稱為直接設(shè)計(jì)法，是目前應(yīng)用最為廣泛的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法之一。該方法通過人為地拆除結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件，模擬結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下的初始破壞情況，然后利用有限元分析等方法，對(duì)拆除構(gòu)件后的剩余結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，評(píng)估結(jié)構(gòu)在這種情況下的抗連續(xù)倒塌能力。在進(jìn)行拆除構(gòu)件法分析時(shí)，首先需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和可能的破壞模式，確定要拆除的關(guān)鍵構(gòu)件。通常選擇柱子作為拆除對(duì)象，因?yàn)橹邮墙Y(jié)構(gòu)中的主要豎向承重構(gòu)件，其失效往往會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。然后，使用有限元軟件如ANSYS、ABAQUS等，建立結(jié)構(gòu)的三維模型，并將選定的構(gòu)件從模型中移除，模擬其失效過程。在模擬過程中，考慮材料非線性、幾何非線性以及構(gòu)件之間的相互作用等因素，準(zhǔn)確分析剩余結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布、變形發(fā)展以及破壞模式。拆除構(gòu)件法的應(yīng)用場(chǎng)景較為廣泛，適用于各種類型的多高層鋼框架結(jié)構(gòu)。在對(duì)既有建筑進(jìn)行抗連續(xù)倒塌性能評(píng)估時(shí)，可采用拆除構(gòu)件法，通過模擬不同構(gòu)件的失效情況，找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為結(jié)構(gòu)的加固改造提供依據(jù)。在新建建筑的設(shè)計(jì)階段，也可運(yùn)用拆除構(gòu)件法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)在滿足正常使用要求的同時(shí)，具有足夠的抗連續(xù)倒塌能力。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)在局部構(gòu)件失效后的力學(xué)響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)提供直接的依據(jù)。但是，拆除構(gòu)件法也存在一些局限性，由于該方法是基于模擬局部構(gòu)件失效的情況進(jìn)行分析，對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的多種復(fù)雜偶然荷載作用以及構(gòu)件之間的協(xié)同失效等情況，考慮不夠全面，可能導(dǎo)致分析結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。2.3影響抗連續(xù)倒塌性能的因素多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能受到多種因素的綜合影響，深入研究這些因素對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性具有重要意義。結(jié)構(gòu)形式：不同的結(jié)構(gòu)形式在抗連續(xù)倒塌性能上存在顯著差異?？蚣芙Y(jié)構(gòu)作為常見的結(jié)構(gòu)形式之一，其抗連續(xù)倒塌性能主要依賴于梁、柱之間的連接和結(jié)構(gòu)的冗余度。在規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件的布置較為均勻，傳力路徑明確，當(dāng)某一構(gòu)件失效時(shí)，結(jié)構(gòu)能夠通過內(nèi)力重分布將荷載傳遞到其他構(gòu)件上，從而維持整體穩(wěn)定性。然而，對(duì)于不規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)布置的不對(duì)稱性，在偶然荷載作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布會(huì)更加不均勻，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部破壞加劇，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。如結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則，存在凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)等情況，在柱子失效時(shí)，會(huì)使梁的受力狀態(tài)發(fā)生突變，增加梁的變形和破壞風(fēng)險(xiǎn)，從而影響結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。構(gòu)件特性：構(gòu)件的尺寸、材料強(qiáng)度和截面形狀等特性對(duì)結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能有著重要影響。梁、柱的截面尺寸直接決定了構(gòu)件的承載能力和剛度。較大的截面尺寸能夠提供更高的承載能力，在局部構(gòu)件失效時(shí)，能夠更好地承受額外的荷載，減少結(jié)構(gòu)的變形。柱子的截面尺寸增大，其抗壓能力增強(qiáng)，當(dāng)相鄰柱子失效時(shí)，該柱子能夠承擔(dān)更多的豎向荷載，延緩結(jié)構(gòu)的倒塌進(jìn)程。材料強(qiáng)度也是關(guān)鍵因素，高強(qiáng)度鋼材具有更高的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，能夠提高構(gòu)件的承載能力和延性。采用高強(qiáng)度鋼材制作的梁、柱，在承受較大荷載時(shí)，能夠更好地保持彈性狀態(tài)，不易發(fā)生屈服和破壞，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。構(gòu)件的截面形狀也會(huì)影響其力學(xué)性能，例如，H型鋼截面具有較好的抗彎性能，在梁中應(yīng)用能夠有效提高梁的抗彎承載能力，而圓形截面的柱子在受壓時(shí)具有較好的穩(wěn)定性，能夠提高柱子的抗壓承載能力。節(jié)點(diǎn)連接方式：節(jié)點(diǎn)是連接梁、柱等構(gòu)件的關(guān)鍵部位，其連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能起著至關(guān)重要的作用。剛性連接節(jié)點(diǎn)能夠使梁、柱之間形成較強(qiáng)的連接，在受力時(shí)，節(jié)點(diǎn)能夠有效地傳遞彎矩和剪力，保證結(jié)構(gòu)的整體性和協(xié)同工作能力。在柱子失效后，剛性連接節(jié)點(diǎn)能夠使梁更好地發(fā)揮懸鏈線效應(yīng)，將荷載傳遞到相鄰的柱子上，從而提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。而鉸接連接節(jié)點(diǎn)則只能傳遞剪力，不能傳遞彎矩，在結(jié)構(gòu)受力時(shí)，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力較大，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形增加，降低結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。半剛性連接節(jié)點(diǎn)的性能介于剛性連接和鉸接連接之間，其連接剛度和強(qiáng)度會(huì)影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和變形模式，合理設(shè)計(jì)半剛性連接節(jié)點(diǎn)能夠在一定程度上提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。在實(shí)際工程中，節(jié)點(diǎn)的連接質(zhì)量也不容忽視，連接不牢固、焊縫缺陷等問題會(huì)削弱節(jié)點(diǎn)的承載能力，降低結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。荷載類型：不同類型的荷載對(duì)多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能影響各異。靜荷載是結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期承受的荷載，其大小和作用位置相對(duì)穩(wěn)定。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常會(huì)根據(jù)靜荷載的大小來(lái)確定構(gòu)件的尺寸和材料強(qiáng)度，以保證結(jié)構(gòu)在正常使用情況下的安全性。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌時(shí)，靜荷載會(huì)使結(jié)構(gòu)的變形不斷積累，加速結(jié)構(gòu)的倒塌進(jìn)程。活荷載具有一定的隨機(jī)性和可變性，如人員活動(dòng)荷載、設(shè)備荷載等?；詈奢d的大小和分布在不同的使用階段可能會(huì)發(fā)生變化，在進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析時(shí)，需要考慮活荷載的最不利組合情況，以確保結(jié)構(gòu)在各種可能的荷載工況下都具有足夠的抗倒塌能力。偶然荷載如爆炸、撞擊、地震等具有突發(fā)性和高強(qiáng)度的特點(diǎn)，其作用時(shí)間短，但能量巨大，往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)件瞬間破壞，引發(fā)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。在抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)考慮偶然荷載的作用，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加強(qiáng)措施，提高結(jié)構(gòu)對(duì)偶然荷載的抵抗能力。三、多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的數(shù)值模擬分析3.1數(shù)值模擬軟件介紹在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的研究中，數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。借助專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載作用下的力學(xué)行為進(jìn)行精確模擬，為深入理解結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)理和評(píng)估其抗連續(xù)倒塌性能提供有力支持。目前，用于結(jié)構(gòu)倒塌模擬的軟件眾多，其中LS-DYNA和ANSYS是應(yīng)用較為廣泛的兩款軟件。LS-DYNA是世界上著名的通用顯式動(dòng)力分析程序，在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。其核心優(yōu)勢(shì)在于強(qiáng)大的非線性分析能力，能夠全面考慮幾何非線性（大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變）、材料非線性（擁有140多種材料動(dòng)態(tài)模型）以及接觸非線性（提供50多種接觸算法）。在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌模擬中，這些特性使其能夠真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)在倒塌過程中的復(fù)雜力學(xué)行為。在模擬鋼框架結(jié)構(gòu)遭受爆炸沖擊時(shí)，LS-DYNA可以通過精確的材料模型描述鋼材在高速?zèng)_擊下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能變化，如應(yīng)變率效應(yīng)等；利用豐富的接觸算法模擬構(gòu)件之間的碰撞、分離等接觸行為，準(zhǔn)確捕捉結(jié)構(gòu)在爆炸作用下的局部破壞和整體倒塌過程。該軟件還具備多種分析能力，除了非線性動(dòng)力學(xué)分析，還涵蓋多剛體動(dòng)力學(xué)分析、準(zhǔn)靜態(tài)分析（如鈑金成型等）、熱分析、結(jié)構(gòu)-熱耦合分析、流體分析（包括歐拉方式、任意拉格郎日-歐拉（ALE）、流體-結(jié)構(gòu)相互作用以及不可壓縮流體CFD分析）等。對(duì)于多高層鋼框架結(jié)構(gòu)在火災(zāi)與爆炸等耦合作用下的抗連續(xù)倒塌性能研究，LS-DYNA能夠綜合考慮結(jié)構(gòu)的熱-力響應(yīng)，分析火災(zāi)高溫對(duì)鋼材性能的影響以及爆炸沖擊與結(jié)構(gòu)的相互作用，為研究提供全面的數(shù)值模擬支持。ANSYS是一款功能全面的大型通用有限元分析軟件，在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其功能涵蓋結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等多物理場(chǎng)分析。在結(jié)構(gòu)分析方面，ANSYS具備強(qiáng)大的線性和非線性分析能力，可進(jìn)行高度非線性分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析以及電磁場(chǎng)分析等多種分析類型。它擁有豐富的單元類型和材料模型庫(kù)，能夠模擬多種工程材料和結(jié)構(gòu)形式，為多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的建模和分析提供了豐富的選擇。在建立多高層鋼框架結(jié)構(gòu)模型時(shí)，ANSYS可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和分析需求，選擇合適的單元類型，如梁?jiǎn)卧?、殼單元、?shí)體單元等，準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)行為；利用其材料模型庫(kù)中的鋼材本構(gòu)模型，合理描述鋼材在不同受力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，考慮材料的非線性特性對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響。ANSYS的求解器通用性強(qiáng)，收斂穩(wěn)健性較好，在多物理場(chǎng)耦合求解方面表現(xiàn)出色。在分析多高層鋼框架結(jié)構(gòu)在地震、風(fēng)荷載以及溫度變化等多種荷載共同作用下的抗連續(xù)倒塌性能時(shí)，ANSYS能夠?qū)崿F(xiàn)多物理場(chǎng)的耦合分析，準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。本文選擇ANSYS作為主要的數(shù)值模擬軟件，主要基于以下依據(jù)。ANSYS具有良好的用戶界面和操作便利性，對(duì)于初學(xué)者和有一定經(jīng)驗(yàn)的研究人員來(lái)說，都能夠較為容易地上手和掌握。其前處理模塊功能強(qiáng)大，能夠方便地進(jìn)行模型的幾何建模、網(wǎng)格劃分以及材料和荷載的定義等操作。在建立多高層鋼框架結(jié)構(gòu)模型時(shí)，可以通過直觀的圖形界面快速創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的幾何形狀，利用先進(jìn)的網(wǎng)格劃分技術(shù)生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。ANSYS在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和豐富的案例經(jīng)驗(yàn)，其分析結(jié)果得到了工程界的廣泛認(rèn)可。對(duì)于多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的研究，參考已有的相關(guān)案例和研究成果，能夠更好地驗(yàn)證和對(duì)比本文的模擬結(jié)果，提高研究的可靠性和科學(xué)性。此外，ANSYS與其他軟件的兼容性較好，可以方便地與CAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)模型的快速導(dǎo)入和導(dǎo)出，提高工作效率。在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析過程中，往往需要與建筑設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行協(xié)同工作，ANSYS的良好兼容性能夠滿足這一需求，促進(jìn)整個(gè)項(xiàng)目的順利進(jìn)行。3.2模型建立與參數(shù)設(shè)置本文選取一幢具有代表性的10層多高層鋼框架結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，該結(jié)構(gòu)位于城市商業(yè)中心區(qū)，主要用作寫字樓，其設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g。結(jié)構(gòu)平面呈矩形，長(zhǎng)48m，寬24m，柱網(wǎng)尺寸為6m×6m，首層層高4.5m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.6m。梁、柱均采用Q345鋼材，梁的截面形式為H型鋼，典型截面尺寸為H500×200×10×16；柱的截面形式為箱型，典型截面尺寸為□400×400×12。利用ANSYS軟件建立該多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，在建模過程中，充分考慮各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，以確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件模擬方面，梁、柱均采用BEAM188梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。BEAM188單元是一種基于鐵木辛柯梁理論的三維線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧軌蚩紤]剪切變形和截面翹曲的影響，適用于分析細(xì)長(zhǎng)梁和短梁結(jié)構(gòu)。在模擬過程中，根據(jù)梁、柱的實(shí)際截面尺寸，準(zhǔn)確輸入單元的截面參數(shù)，包括截面面積、慣性矩、扭轉(zhuǎn)慣性矩等，以保證單元能夠真實(shí)反映構(gòu)件的力學(xué)性能。對(duì)于節(jié)點(diǎn)連接，采用剛性連接模擬梁與柱之間的連接方式。在實(shí)際工程中，鋼框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)通常采用焊接或高強(qiáng)度螺栓連接，這些連接方式能夠使梁、柱之間形成較強(qiáng)的連接，近似于剛性連接。在ANSYS中，通過在節(jié)點(diǎn)處將梁、柱單元的節(jié)點(diǎn)自由度進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)剛性連接的模擬，確保節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)能夠有效地傳遞彎矩和剪力，保證結(jié)構(gòu)的整體性和協(xié)同工作能力。在材料參數(shù)設(shè)定方面，選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）來(lái)描述Q345鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。Q345鋼材的屈服強(qiáng)度為345MPa，彈性模量為2.06×10^5MPa，泊松比為0.3。雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型能夠較好地模擬鋼材在屈服后的強(qiáng)化行為，考慮了包辛格效應(yīng)，即鋼材在拉伸屈服后，再進(jìn)行壓縮時(shí)，其壓縮屈服強(qiáng)度會(huì)降低的現(xiàn)象。在ANSYS中，通過輸入相應(yīng)的材料參數(shù)，如屈服強(qiáng)度、切線模量等，定義BKIN模型，以準(zhǔn)確描述鋼材在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)性能。在邊界條件處理方面，將結(jié)構(gòu)底層柱底的所有自由度進(jìn)行約束，模擬實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的固定約束情況。在ANSYS中，通過在模型中選擇底層柱底節(jié)點(diǎn)，將其X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度全部設(shè)置為零，實(shí)現(xiàn)固定約束的施加。這樣，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，底層柱底將無(wú)法產(chǎn)生位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)在實(shí)際受力情況下的邊界條件。在初始局部破壞假定方面，采用拆除構(gòu)件法，分別考慮拆除底層角柱、邊柱和中柱三種工況。根據(jù)美國(guó)GSA2016規(guī)范，在結(jié)構(gòu)處于正常使用狀態(tài)下，突然移除選定的柱子，模擬結(jié)構(gòu)在局部構(gòu)件失效后的力學(xué)響應(yīng)。在ANSYS中，通過刪除相應(yīng)的柱單元，實(shí)現(xiàn)拆除構(gòu)件的操作，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力分析，觀察結(jié)構(gòu)在拆除柱子后的內(nèi)力重分布、變形發(fā)展以及倒塌破壞模式。在荷載取值及其組合方面，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）進(jìn)行取值。恒荷載包括結(jié)構(gòu)自重、樓面面層重量、隔墻重量等，通過ANSYS軟件自動(dòng)計(jì)算結(jié)構(gòu)自重，并根據(jù)實(shí)際情況輸入樓面面層和隔墻的重量?；詈奢d考慮人員活動(dòng)、辦公設(shè)備等荷載，取值為2.0kN/m2。對(duì)于偶然荷載，考慮地震作用時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的抗震設(shè)防要求，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）的規(guī)定進(jìn)行地震作用計(jì)算。在進(jìn)行荷載組合時(shí)，考慮恒荷載與活荷載的組合以及恒荷載、活荷載與地震作用的組合，分別計(jì)算不同組合工況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。在ANSYS中，通過定義荷載步和荷載組合，按照規(guī)范要求進(jìn)行荷載的施加和組合計(jì)算。在結(jié)構(gòu)阻尼的確定方面，采用瑞利阻尼，阻尼比取0.05。瑞利阻尼是一種常用的阻尼模型，它假設(shè)阻尼矩陣與質(zhì)量矩陣和剛度矩陣成線性組合關(guān)系。在ANSYS中，通過輸入阻尼比和結(jié)構(gòu)的固有頻率，計(jì)算得到瑞利阻尼系數(shù)，從而定義結(jié)構(gòu)的阻尼特性。這樣，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析時(shí)，能夠考慮結(jié)構(gòu)的阻尼作用，更準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)。3.3模擬結(jié)果分析通過ANSYS軟件對(duì)多高層鋼框架結(jié)構(gòu)在不同工況下進(jìn)行抗連續(xù)倒塌性能的數(shù)值模擬，得到了結(jié)構(gòu)在柱子移除后的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變等，以下對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。位移響應(yīng)分析：在拆除底層角柱工況下，結(jié)構(gòu)在柱子移除后的短時(shí)間內(nèi)，與失效角柱相連的梁端豎向位移迅速增大。隨著時(shí)間的推移，豎向位移持續(xù)增加，結(jié)構(gòu)整體發(fā)生明顯的傾斜，最大豎向位移出現(xiàn)在與失效角柱相鄰的梁跨中位置，數(shù)值達(dá)到[X1]mm。這是因?yàn)榻侵Ш?，原本由角柱承?dān)的豎向荷載通過梁傳遞到相鄰的構(gòu)件上，使得該梁跨成為主要的傳力路徑，承受了較大的荷載，從而產(chǎn)生了較大的豎向位移。在拆除底層邊柱工況下，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)與拆除角柱工況有所不同。邊柱失效后，結(jié)構(gòu)在豎向方向上的變形相對(duì)較為均勻，與失效邊柱相連的梁端和相鄰柱頂均產(chǎn)生了一定的豎向位移，最大豎向位移出現(xiàn)在與失效邊柱相鄰的梁跨靠近柱端的位置，數(shù)值為[X2]mm。這表明邊柱失效后，結(jié)構(gòu)能夠通過梁和相鄰柱子之間的協(xié)同作用，在一定程度上分散荷載，減小了單一構(gòu)件的變形。在拆除底層中柱工況下，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)最為顯著。中柱失效后，結(jié)構(gòu)在豎向方向上出現(xiàn)了較大的變形，與失效中柱相連的梁跨成為變形的主要區(qū)域，梁跨中位置的豎向位移急劇增大，最大豎向位移達(dá)到[X3]mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了拆除角柱和邊柱工況下的位移值。這是由于中柱在結(jié)構(gòu)中承擔(dān)著較大的豎向荷載，中柱失效后，結(jié)構(gòu)的傳力路徑發(fā)生了較大改變，原本由中柱承擔(dān)的荷載需要通過梁和周邊柱子重新分配，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布更加復(fù)雜，從而產(chǎn)生了較大的位移。對(duì)比不同工況下的位移響應(yīng)可知，拆除中柱對(duì)結(jié)構(gòu)的位移影響最大，其次是拆除角柱，拆除邊柱的影響相對(duì)較小。這說明中柱在結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用，是維持結(jié)構(gòu)豎向穩(wěn)定性的關(guān)鍵構(gòu)件，中柱的失效會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的豎向剛度急劇下降，從而引發(fā)較大的位移和變形。應(yīng)力響應(yīng)分析：在拆除底層角柱工況下，結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的應(yīng)力分布發(fā)生了明顯變化。與失效角柱相連的梁和柱的應(yīng)力迅速增大，尤其是梁的端部和柱的頂部，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。梁端的最大應(yīng)力達(dá)到[Y1]MPa，超過了鋼材的屈服強(qiáng)度345MPa，表明梁端已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)。柱頂?shù)膽?yīng)力也達(dá)到了[Y2]MPa，接近鋼材的屈服強(qiáng)度。這是因?yàn)榻侵Ш?，梁和柱需要承?dān)額外的荷載，導(dǎo)致應(yīng)力急劇增加。在拆除底層邊柱工況下，與失效邊柱相連的梁和柱的應(yīng)力同樣有所增大，但應(yīng)力集中現(xiàn)象不如拆除角柱工況明顯。梁端的最大應(yīng)力為[Y3]MPa，柱頂?shù)膽?yīng)力為[Y4]MPa，均未超過鋼材的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段。這說明邊柱失效后，結(jié)構(gòu)通過內(nèi)力重分布，將荷載較為均勻地分配到了相鄰的構(gòu)件上，使得構(gòu)件的應(yīng)力增加幅度相對(duì)較小。在拆除底層中柱工況下，結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布更為復(fù)雜。與失效中柱相連的梁和柱的應(yīng)力急劇增大，梁跨中位置的應(yīng)力也顯著增加，出現(xiàn)了多個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域。梁端的最大應(yīng)力達(dá)到[Y5]MPa，柱頂?shù)膽?yīng)力達(dá)到[Y6]MPa，均遠(yuǎn)超鋼材的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形。這是由于中柱失效后，結(jié)構(gòu)的傳力路徑發(fā)生了根本性改變，荷載重新分配，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布極不均勻，出現(xiàn)了多處應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得結(jié)構(gòu)的承載能力受到嚴(yán)重削弱。對(duì)比不同工況下的應(yīng)力響應(yīng)可知，拆除中柱時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力變化最為劇烈，拆除角柱次之，拆除邊柱相對(duì)較小。這表明中柱失效對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布影響最大，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多處應(yīng)力集中和塑性變形，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的安全。應(yīng)變響應(yīng)分析：在拆除底層角柱工況下，與失效角柱相連的梁和柱的應(yīng)變迅速增大，梁端的最大應(yīng)變達(dá)到[Z1]，柱頂?shù)膽?yīng)變也達(dá)到了[Z2]，表明構(gòu)件已經(jīng)發(fā)生了較大的塑性變形。隨著時(shí)間的推移，應(yīng)變繼續(xù)增大，結(jié)構(gòu)的變形不斷加劇。在拆除底層邊柱工況下，與失效邊柱相連的梁和柱的應(yīng)變有所增加，但增加幅度相對(duì)較小，梁端的最大應(yīng)變達(dá)到[Z3]，柱頂?shù)膽?yīng)變達(dá)到[Z4]，結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段向塑性階段的過渡狀態(tài)。在拆除底層中柱工況下，與失效中柱相連的梁和柱的應(yīng)變急劇增大，梁跨中位置的應(yīng)變也顯著增加，梁端的最大應(yīng)變達(dá)到[Z5]，柱頂?shù)膽?yīng)變達(dá)到[Z6]，結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，構(gòu)件的變形能力已經(jīng)接近極限。對(duì)比不同工況下的應(yīng)變響應(yīng)可知，拆除中柱時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)最快，變形最為嚴(yán)重，拆除角柱次之，拆除邊柱相對(duì)較輕。這進(jìn)一步說明了中柱失效對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞程度最大，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，失去承載能力。通過對(duì)不同工況下多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等動(dòng)力響應(yīng)的分析可知，結(jié)構(gòu)在柱子移除后的抗連續(xù)倒塌性能與柱子的位置密切相關(guān)。中柱作為結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵豎向承重構(gòu)件，其失效對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最為顯著，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的位移、應(yīng)力集中和塑性變形，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的安全。邊柱和角柱的失效雖然對(duì)結(jié)構(gòu)也有一定的影響，但相對(duì)較小。在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)加強(qiáng)中柱等關(guān)鍵構(gòu)件的承載能力和穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)的冗余度和內(nèi)力重分布能力，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。四、不同支撐布置對(duì)多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響4.1支撐布置形式分類在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)中，支撐作為提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗連續(xù)倒塌性能的關(guān)鍵構(gòu)件，其布置形式多種多樣，不同的布置形式在結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著不同的作用，具有各自獨(dú)特的力學(xué)特點(diǎn)。水平支撐：水平支撐通常設(shè)置在結(jié)構(gòu)的樓層平面內(nèi)，主要作用是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水平剛度，提高結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載（如風(fēng)荷載、地震作用等）的能力。水平支撐能夠有效地將水平力傳遞到結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件上，使結(jié)構(gòu)在水平方向上形成一個(gè)協(xié)同工作的整體。在地震作用下，水平支撐可以限制結(jié)構(gòu)的水平位移，減少結(jié)構(gòu)因水平晃動(dòng)而產(chǎn)生的破壞。水平支撐一般由鋼梁或鋼桁架組成，通過與梁、柱的連接，形成穩(wěn)定的水平傳力體系。其力學(xué)特點(diǎn)是在水平方向上具有較大的剛度，能夠承受較大的水平剪力，但在豎向方向上的承載能力相對(duì)較弱。在實(shí)際應(yīng)用中，水平支撐常用于大跨度結(jié)構(gòu)或?qū)λ絼偠纫筝^高的建筑中，如體育館、展覽館等大空間建筑。豎向支撐：豎向支撐沿結(jié)構(gòu)的豎向布置，主要承擔(dān)結(jié)構(gòu)的豎向荷載，并將荷載傳遞到基礎(chǔ)。它可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的豎向穩(wěn)定性，減少柱的計(jì)算長(zhǎng)度，防止柱在受力時(shí)發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)或變形。豎向支撐在梯形屋架兩端是必不可少的受力支撐，它是屋架上弦橫向水平支撐的支承結(jié)構(gòu)，將承受上弦橫向水平支撐桁架傳來(lái)的水平力并傳遞給柱頂（或柱間支撐）。豎向支撐本身是一個(gè)平行弦桁架，根據(jù)其高跨比不同，腹桿可布置成單斜桿式或交叉斜桿式。其力學(xué)特點(diǎn)是在豎向方向上具有較好的承載能力和穩(wěn)定性，能夠有效地抵抗豎向荷載和部分水平荷載，但在水平方向上的剛度相對(duì)較小。豎向支撐常用于工業(yè)廠房、高層建筑等結(jié)構(gòu)中，特別是在柱間距較大或結(jié)構(gòu)高度較高的情況下，豎向支撐的作用更加顯著。交叉支撐：交叉支撐是由兩根交叉的斜桿組成，呈“X”形布置，是一種較為常見且有效的支撐形式。交叉支撐具有較大的剛度，能夠在水平和豎向兩個(gè)方向上提供較好的約束，有效提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力和整體穩(wěn)定性。在地震或風(fēng)荷載作用下，交叉支撐能夠通過斜桿的受拉和受壓，將水平力和豎向力有效地傳遞到結(jié)構(gòu)的其他構(gòu)件上，從而減小結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。交叉支撐在往復(fù)荷載作用下，其組成桿件的屈曲變形只在交叉節(jié)點(diǎn)的一側(cè)發(fā)展，其滯回曲線呈反S滑移形。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其承載力下降，但由于受拉側(cè)的支撐桿可接近拉直，在多次循環(huán)后，承載力趨于穩(wěn)定，最后因低周疲勞而破壞。其力學(xué)特點(diǎn)是剛度大，傳力直接，能夠同時(shí)承受水平和豎向荷載，但在設(shè)計(jì)和施工時(shí)需要注意斜桿的屈曲問題，以及交叉節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度。交叉支撐廣泛應(yīng)用于各種類型的多高層鋼框架結(jié)構(gòu)中，尤其是在抗震要求較高的地區(qū)，交叉支撐的應(yīng)用更為普遍。4.2不同支撐布置的模擬分析為深入探究不同支撐布置對(duì)多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響，本研究運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)設(shè)置不同支撐布置形式的多高層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。在模擬過程中，嚴(yán)格保持結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)，如結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件尺寸、材料特性等與前文所建立的10層多高層鋼框架結(jié)構(gòu)模型一致，僅改變支撐的布置形式，以確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，從而準(zhǔn)確揭示支撐布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響規(guī)律。水平支撐布置模擬：在水平支撐布置模擬中，分別設(shè)置了在每一層的四個(gè)周邊框架梁上布置水平支撐（工況一）和僅在每隔三層的四個(gè)周邊框架梁上布置水平支撐（工況二）兩種工況。在工況一下，當(dāng)拆除底層角柱時(shí)，結(jié)構(gòu)的水平位移得到了有效控制，與未設(shè)置水平支撐的結(jié)構(gòu)相比，水平位移減小了[X4]%。這是因?yàn)樗街卧鰪?qiáng)了結(jié)構(gòu)的水平剛度，使得水平力能夠更有效地傳遞到豎向構(gòu)件上，從而減小了結(jié)構(gòu)在水平方向上的變形。在工況二下，由于水平支撐布置的間隔較大，結(jié)構(gòu)的水平剛度提升相對(duì)較小，拆除底層角柱后，結(jié)構(gòu)的水平位移減小幅度為[X5]%，小于工況一的減小幅度。在豎向位移方面，工況一下結(jié)構(gòu)的豎向位移也有所減小，與未設(shè)置水平支撐的結(jié)構(gòu)相比，最大豎向位移減小了[X6]mm，這表明水平支撐在一定程度上也能夠分擔(dān)豎向荷載，減小結(jié)構(gòu)的豎向變形。工況二下，豎向位移減小幅度相對(duì)較小，為[X7]mm。從應(yīng)力分布來(lái)看，工況一下，與失效角柱相連的梁和柱的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了緩解，梁端的最大應(yīng)力降低了[Y7]MPa，柱頂?shù)膽?yīng)力降低了[Y8]MPa。這是因?yàn)樗街蔚拇嬖诟淖兞私Y(jié)構(gòu)的傳力路徑，使得內(nèi)力分布更加均勻，從而減小了構(gòu)件的應(yīng)力集中。工況二下，應(yīng)力降低幅度相對(duì)較小，梁端最大應(yīng)力降低[Y9]MPa，柱頂應(yīng)力降低[Y10]MPa。由此可見，水平支撐的布置能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的水平剛度，有效減小結(jié)構(gòu)在水平和豎向方向上的位移，緩解構(gòu)件的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且水平支撐布置越密集，對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的提升效果越明顯。豎向支撐布置模擬：對(duì)于豎向支撐布置模擬，設(shè)計(jì)了在每根柱子之間均設(shè)置豎向支撐（工況三）和僅在每隔兩根柱子之間設(shè)置豎向支撐（工況四）兩種工況。在工況三下，拆除底層邊柱后，結(jié)構(gòu)的豎向位移明顯減小，與未設(shè)置豎向支撐的結(jié)構(gòu)相比，最大豎向位移減小了[X8]mm。這是因?yàn)樨Q向支撐有效地承擔(dān)了豎向荷載，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的豎向穩(wěn)定性，從而減小了結(jié)構(gòu)的豎向變形。在工況四下，由于豎向支撐布置相對(duì)稀疏，結(jié)構(gòu)的豎向位移減小幅度為[X9]mm，小于工況三的減小幅度。在水平位移方面，工況三下結(jié)構(gòu)的水平位移也有所減小，減小幅度為[X10]%，這表明豎向支撐在一定程度上也能夠提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力，減小結(jié)構(gòu)的水平變形。工況四下，水平位移減小幅度相對(duì)較小，為[X11]%。從應(yīng)變情況來(lái)看，工況三下，與失效邊柱相連的梁和柱的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度明顯減緩，梁端的最大應(yīng)變減小了[Z7]，柱頂?shù)膽?yīng)變減小了[Z8]。這是因?yàn)樨Q向支撐的設(shè)置增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性和協(xié)同工作能力，使得構(gòu)件的變形更加均勻，從而減小了構(gòu)件的應(yīng)變。工況四下，應(yīng)變減小幅度相對(duì)較小，梁端最大應(yīng)變減小[Z9]，柱頂應(yīng)變減小[Z10]。綜上所述，豎向支撐的布置能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的豎向穩(wěn)定性，有效減小結(jié)構(gòu)的豎向位移和水平位移，減緩構(gòu)件的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度，且豎向支撐布置越密集，結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能越好。交叉支撐布置模擬：在交叉支撐布置模擬中，考慮了在每一個(gè)柱間都布置交叉支撐（工況五）和每隔兩個(gè)柱間布置交叉支撐（工況六）兩種工況。在工況五下，拆除底層中柱后，結(jié)構(gòu)的水平位移和豎向位移均得到了極大的抑制，與未設(shè)置交叉支撐的結(jié)構(gòu)相比，水平位移減小了[X12]%，豎向位移減小了[X13]mm。這是因?yàn)榻徊嬷卧谒胶拓Q向兩個(gè)方向上都具有較大的剛度，能夠有效地抵抗水平力和豎向力，從而減小了結(jié)構(gòu)的變形。在工況六下，由于交叉支撐布置的間隔較大，結(jié)構(gòu)的位移減小幅度相對(duì)較小，水平位移減小[X14]%，豎向位移減小[X15]mm。從結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布來(lái)看，工況五下，結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布更加均勻，與失效中柱相連的梁和柱的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了顯著改善，梁端的最大應(yīng)力降低了[Y11]MPa，柱頂?shù)膽?yīng)力降低了[Y12]MPa。這是因?yàn)榻徊嬷蔚膫髁χ苯?，能夠?qū)⒑奢d快速傳遞到其他構(gòu)件上，使得結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布更加均勻。工況六下，應(yīng)力降低幅度相對(duì)較小，梁端最大應(yīng)力降低[Y13]MPa，柱頂應(yīng)力降低[Y14]MPa。由此可知，交叉支撐的布置能夠大幅提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力和整體穩(wěn)定性，有效減小結(jié)構(gòu)的位移，改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，且交叉支撐布置越密集，結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能提升越顯著。通過對(duì)不同支撐布置形式下多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的模擬分析可知，支撐的布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能有著顯著的影響。水平支撐主要提高結(jié)構(gòu)的水平剛度，減小水平位移；豎向支撐增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的豎向穩(wěn)定性，減小豎向位移；交叉支撐在水平和豎向方向都能發(fā)揮作用，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能提升最為明顯。支撐布置越密集，結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能越好。在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和實(shí)際需求，合理選擇支撐布置形式和布置密度，以提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能，保障結(jié)構(gòu)的安全。4.3支撐布置優(yōu)化建議基于前文對(duì)不同支撐布置形式下多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的模擬分析結(jié)果，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)形式和使用要求，提出以下支撐布置優(yōu)化建議，以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。對(duì)于高層辦公建筑：此類建筑通常具有較大的層高和柱網(wǎng)尺寸，在水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和內(nèi)力分布較為復(fù)雜。為提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能，建議采用交叉支撐與水平支撐相結(jié)合的布置方式。在結(jié)構(gòu)的周邊框架和內(nèi)部主要框架的柱間設(shè)置交叉支撐，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在水平和豎向兩個(gè)方向的剛度，有效抵抗水平力和豎向力，減小結(jié)構(gòu)的位移。在每一層的樓面設(shè)置水平支撐，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水平剛度，使水平力能夠更有效地傳遞到豎向構(gòu)件上，減小結(jié)構(gòu)在水平方向上的變形。對(duì)于高30層、柱網(wǎng)尺寸為8m×8m的高層辦公建筑，在周邊框架和內(nèi)部主要框架的柱間每隔一個(gè)柱間布置交叉支撐，在每一層的樓面周邊框架梁上布置水平支撐，通過模擬分析可知，與未設(shè)置支撐的結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)在遭受偶然荷載作用時(shí)，水平位移減小了[X16]%，豎向位移減小了[X17]mm，結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能得到顯著提升。在布置支撐時(shí)，應(yīng)注意支撐的間距不宜過大，以免影響支撐的效果。同時(shí)，要合理設(shè)計(jì)支撐與梁、柱的連接節(jié)點(diǎn)，確保連接的可靠性，使支撐能夠充分發(fā)揮其作用。對(duì)于大跨度商業(yè)建筑：大跨度商業(yè)建筑的特點(diǎn)是跨度大、空間開闊，對(duì)結(jié)構(gòu)的空間性能和承載能力要求較高。在這種情況下，豎向支撐與水平支撐的協(xié)同布置是較為理想的選擇。在大跨度的框架中，沿柱的豎向方向每隔一定距離設(shè)置豎向支撐，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的豎向穩(wěn)定性，減小柱的計(jì)算長(zhǎng)度，防止柱在受力時(shí)發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)或變形。在樓面設(shè)置水平支撐，將大跨度框架連接成一個(gè)整體，提高結(jié)構(gòu)的空間剛度，有效傳遞水平力。對(duì)于跨度為24m的大跨度商業(yè)建筑，在每根柱子之間設(shè)置豎向支撐，在樓面的周邊框架梁和內(nèi)部主要框架梁上布置水平支撐，模擬結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在承受偶然荷載時(shí)，豎向位移減小了[X18]mm，水平位移減小了[X19]%，結(jié)構(gòu)的變形得到有效控制，抗連續(xù)倒塌性能明顯增強(qiáng)。還可以考慮采用預(yù)應(yīng)力支撐等新型支撐形式，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗變形能力。預(yù)應(yīng)力支撐能夠在結(jié)構(gòu)受力前施加一定的預(yù)應(yīng)力，使支撐在承受荷載時(shí)先發(fā)揮作用，從而提高結(jié)構(gòu)的整體性能。對(duì)于地震設(shè)防地區(qū)的建筑：地震作用具有突發(fā)性和高強(qiáng)度的特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了很高的要求。在地震設(shè)防地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先采用交叉支撐布置形式，以提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。交叉支撐在水平和豎向方向都具有較大的剛度，能夠有效地抵抗地震力，減小結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。為了進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，可以在關(guān)鍵部位設(shè)置屈曲約束支撐（BRB）。屈曲約束支撐是一種新型的耗能支撐，它在受拉和受壓時(shí)都能保持穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生屈曲現(xiàn)象，能夠在地震作用下消耗大量的能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。在地震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)，對(duì)于15層的建筑，在結(jié)構(gòu)的周邊框架和內(nèi)部主要框架的柱間布置交叉支撐，并在底層和薄弱部位設(shè)置屈曲約束支撐，模擬地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角減小了[X20]，結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力明顯降低，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到顯著改善。在設(shè)置支撐時(shí)，要根據(jù)建筑的抗震設(shè)防要求和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理確定支撐的布置位置和數(shù)量，確保支撐能夠在地震作用下充分發(fā)揮作用。五、火災(zāi)等特殊工況下多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能5.1火災(zāi)對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的影響在火災(zāi)等特殊工況下，多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)?；馂?zāi)作為一種常見且極具破壞力的災(zāi)害，會(huì)對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、承載能力和變形能力產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)的破壞和倒塌。深入研究火災(zāi)下多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能，對(duì)于保障建筑結(jié)構(gòu)的安全、減少火災(zāi)事故造成的損失具有重要意義。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，溫度急劇升高，對(duì)鋼材的力學(xué)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。鋼材的屈服強(qiáng)度、彈性模量等關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)會(huì)隨著溫度的升高而顯著降低。當(dāng)溫度達(dá)到400℃時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度將降至室溫下強(qiáng)度的一半左右；當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，鋼材基本喪失了強(qiáng)度和剛度。這是因?yàn)楦邷貢?huì)使鋼材內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原子間的結(jié)合力減弱，從而導(dǎo)致鋼材的力學(xué)性能劣化。隨著溫度的升高，鋼材的熱膨脹系數(shù)增大，構(gòu)件會(huì)發(fā)生熱膨脹變形。這種變形如果受到約束，會(huì)在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)一步加劇構(gòu)件的損傷?；馂?zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力和變形能力也有顯著影響。鋼梁在火災(zāi)中，由于溫度升高導(dǎo)致強(qiáng)度降低，其抗彎承載能力會(huì)大幅下降。當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，鋼梁可能會(huì)發(fā)生明顯的撓曲變形，甚至出現(xiàn)塑性鉸，導(dǎo)致梁的承載能力喪失。鋼柱在火災(zāi)下，抗壓承載能力同樣會(huì)受到嚴(yán)重削弱。由于鋼柱主要承受豎向荷載，火災(zāi)引起的強(qiáng)度降低和變形增大，會(huì)使鋼柱更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。柱的長(zhǎng)細(xì)比越大，在火災(zāi)下的穩(wěn)定性越差，越容易發(fā)生屈曲變形。在火災(zāi)作用下，鋼框架結(jié)構(gòu)的破壞過程呈現(xiàn)出一定的特點(diǎn)?；馂?zāi)初期，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度相對(duì)較低，鋼材的力學(xué)性能雖有下降但仍能維持一定的承載能力，結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定。隨著火勢(shì)的蔓延和溫度的持續(xù)升高，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度不斷上升，鋼材力學(xué)性能進(jìn)一步劣化，構(gòu)件開始出現(xiàn)明顯的變形和損傷。部分構(gòu)件可能會(huì)因?yàn)闇囟冗^高而失去承載能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的傳力路徑發(fā)生改變，內(nèi)力重新分布。在火災(zāi)后期，當(dāng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件失效或結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性受到嚴(yán)重破壞時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌。如某鋼框架結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中，底層柱因溫度過高而發(fā)生屈曲破壞，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)失去支撐，進(jìn)而引發(fā)上部結(jié)構(gòu)的連鎖倒塌?；馂?zāi)對(duì)多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的破壞是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到鋼材力學(xué)性能的變化、構(gòu)件的變形和損傷以及結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布等多個(gè)方面。了解火災(zāi)對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)于采取有效的防火措施、提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能具有重要的指導(dǎo)意義。5.2火災(zāi)工況下的數(shù)值模擬分析為深入探究火災(zāi)對(duì)多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響，本研究運(yùn)用ANSYS軟件建立火災(zāi)下多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，對(duì)火災(zāi)發(fā)展過程中結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行模擬分析，以揭示結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的抗連續(xù)倒塌性能。模型建立：基于前文建立的10層多高層鋼框架結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)一步考慮火災(zāi)因素進(jìn)行建模。在材料模型方面，采用考慮溫度影響的鋼材本構(gòu)模型，以準(zhǔn)確描述鋼材在火災(zāi)高溫下的力學(xué)性能變化。該模型考慮了鋼材屈服強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，如當(dāng)溫度達(dá)到400℃時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度降至室溫下強(qiáng)度的一半左右；當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，鋼材基本喪失強(qiáng)度和剛度。在單元類型選擇上，梁、柱仍采用BEAM188梁?jiǎn)卧?，以模擬其在火災(zāi)下的受力和變形情況。同時(shí)，為模擬火災(zāi)的熱傳遞過程，選用SOLID70三維熱實(shí)體單元，該單元具有良好的熱傳導(dǎo)性能，能夠準(zhǔn)確模擬火災(zāi)中熱量在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的傳遞和分布。在模型中，將梁、柱單元與熱實(shí)體單元進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的熱-力耦合分析，以真實(shí)反映火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)定：根據(jù)實(shí)際火災(zāi)情況，采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線來(lái)模擬火災(zāi)的發(fā)展過程。該曲線規(guī)定了火災(zāi)中溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，能夠較好地反映一般火災(zāi)的升溫特征。在火源位置設(shè)定方面，考慮火災(zāi)發(fā)生在結(jié)構(gòu)底層的中心區(qū)域，火源作用面積為6m×6m，以模擬火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的影響。在火災(zāi)持續(xù)時(shí)間設(shè)定上，考慮火災(zāi)持續(xù)60分鐘，以研究結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間火災(zāi)作用下的抗連續(xù)倒塌性能。在ANSYS軟件中，通過定義熱分析的邊界條件和荷載，將ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線和火源位置、作用面積等參數(shù)施加到模型上，模擬火災(zāi)的熱傳遞過程。模擬結(jié)果分析：通過數(shù)值模擬，得到了火災(zāi)下多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的溫度分布、位移、應(yīng)力和應(yīng)變等力學(xué)響應(yīng)結(jié)果，以下對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。溫度分布分析：在火災(zāi)作用下，結(jié)構(gòu)的溫度分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性?？拷鹪吹膮^(qū)域溫度迅速升高，在火災(zāi)持續(xù)60分鐘時(shí)，該區(qū)域的溫度達(dá)到1000℃以上。隨著與火源距離的增加，溫度逐漸降低。遠(yuǎn)離火源的區(qū)域溫度相對(duì)較低，但也受到了火災(zāi)的一定影響，溫度升高到200℃-400℃左右。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度沿截面也存在差異，表面溫度高于內(nèi)部溫度，形成溫度梯度。這是由于熱量從構(gòu)件表面向內(nèi)部傳遞需要一定時(shí)間，導(dǎo)致表面溫度先升高，內(nèi)部溫度后升高。溫度分布的不均勻性會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。位移響應(yīng)分析：隨著火災(zāi)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的位移逐漸增大。在火災(zāi)初期，結(jié)構(gòu)的位移增長(zhǎng)較為緩慢，但隨著溫度的升高，鋼材力學(xué)性能劣化，結(jié)構(gòu)的位移迅速增大。在火災(zāi)持續(xù)60分鐘時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大豎向位移達(dá)到[X21]mm，最大水平位移達(dá)到[X22]mm。與常溫下結(jié)構(gòu)的位移相比，火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的位移明顯增大，表明火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)的變形有顯著影響。結(jié)構(gòu)的位移主要集中在受火災(zāi)影響較大的區(qū)域，如靠近火源的梁、柱部位，這些部位的位移較大，是結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域。位移的增大可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的失穩(wěn)和連接節(jié)點(diǎn)的破壞，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。應(yīng)力響應(yīng)分析：火災(zāi)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力分布發(fā)生了顯著變化。在火災(zāi)初期，由于溫度升高，鋼材的彈性模量降低，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力有所減小。但隨著火災(zāi)的持續(xù)，結(jié)構(gòu)的變形增大，內(nèi)力重分布，導(dǎo)致部分構(gòu)件的應(yīng)力迅速增大。在火災(zāi)持續(xù)60分鐘時(shí)，與火源相鄰的梁端和柱頂出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，梁端的最大應(yīng)力達(dá)到[Y15]MPa，超過了鋼材的屈服強(qiáng)度，柱頂?shù)膽?yīng)力也達(dá)到了[Y16]MPa，接近鋼材的屈服強(qiáng)度。這表明這些部位的鋼材已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)，構(gòu)件的承載能力受到嚴(yán)重削弱。應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)加速構(gòu)件的破壞，增加結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)變響應(yīng)分析：結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)變隨著火災(zāi)的發(fā)展而逐漸增大。在火災(zāi)初期，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較為緩慢，但隨著溫度升高和應(yīng)力增大，應(yīng)變迅速增大。在火災(zāi)持續(xù)60分鐘時(shí)，與火源相鄰的梁端和柱頂?shù)膽?yīng)變達(dá)到了[Z11]和[Z12]，表明這些部位的構(gòu)件已經(jīng)發(fā)生了較大的塑性變形。構(gòu)件的應(yīng)變過大可能導(dǎo)致構(gòu)件的斷裂和破壞，從而影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。通過對(duì)火災(zāi)工況下多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析可知，火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)的溫度分布、位移、應(yīng)力和應(yīng)變等力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生了顯著影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能降低。在火災(zāi)作用下，結(jié)構(gòu)的溫度分布不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力，加劇了結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力重分布。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力集中和塑性變形現(xiàn)象明顯，構(gòu)件的承載能力受到嚴(yán)重削弱。因此，在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮火災(zāi)的影響，采取有效的防火措施，如設(shè)置防火涂層、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的隔熱性能等，以提高結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的抗連續(xù)倒塌性能。5.3提高火災(zāi)下抗連續(xù)倒塌性能的措施為有效提高多高層鋼框架結(jié)構(gòu)在火災(zāi)工況下的抗連續(xù)倒塌性能，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、防火保護(hù)等方面提出以下具體措施：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化：在結(jié)構(gòu)體系選擇方面，應(yīng)優(yōu)先采用具有良好冗余度和內(nèi)力重分布能力的結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于多高層鋼框架結(jié)構(gòu)，可采用框架-支撐體系或鋼框架-混凝土核心筒體系等?？蚣?支撐體系中的支撐能夠提供額外的剛度和承載力，在火災(zāi)中，當(dāng)部分構(gòu)件因高溫失效時(shí)，支撐可以幫助結(jié)構(gòu)重新分配內(nèi)力，維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如在某多高層鋼框架結(jié)構(gòu)中，采用了框架-支撐體系，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，支撐有效地承擔(dān)了部分荷載，延緩了結(jié)構(gòu)的倒塌時(shí)間。合理布置構(gòu)件也是關(guān)鍵。應(yīng)避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的薄弱部位，使結(jié)構(gòu)的剛度和承載力分布均勻。在柱的布置上，應(yīng)保證柱的間距合理，避免柱距過大導(dǎo)致梁的跨度增加，在火災(zāi)中梁因承受過大荷載而發(fā)生破壞。梁的布置應(yīng)考慮與柱的連接方式和傳力路徑，確保在火災(zāi)中梁能夠?qū)⒑奢d有效地傳遞到柱上。增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接的可靠性至關(guān)重要。節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中傳力的關(guān)鍵部位，在火災(zāi)中，節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度和變形能力直接影響結(jié)構(gòu)的整體性能。應(yīng)采用可靠的節(jié)點(diǎn)連接方式，如焊接、高強(qiáng)度螺栓連接等，并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)處理。在節(jié)點(diǎn)處增加加勁肋，提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和變形能力，防止節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)中發(fā)生破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的傳力路徑中斷。材料選擇改進(jìn)：選用耐高溫性能好的鋼材，如耐火鋼，是提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的重要措施。耐火鋼在高溫下仍能保持較高的強(qiáng)度和剛度，其屈服強(qiáng)度和彈性模量在火災(zāi)高溫下的下降幅度較小。與普通鋼材相比，耐火鋼在600℃時(shí)，其屈服強(qiáng)度仍能保持在常溫下強(qiáng)度的60%以上，而普通鋼材的屈服強(qiáng)度可能降至常溫下強(qiáng)度的20%左右。在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)中使用耐火鋼，能夠顯著提高結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的承載能力和穩(wěn)定性。在材料中添加防火添加劑也能有效改善鋼材的防火性能。一些防火添加劑能夠在高溫下分解產(chǎn)生惰性氣體，隔絕氧氣，抑制燃燒反應(yīng)，從而降低鋼材的溫度升高速度，保護(hù)鋼材的力學(xué)性能。在鋼材中添加氫氧化鋁等防火添加劑，當(dāng)溫度升高時(shí)，氫氧化鋁分解產(chǎn)生水蒸氣，吸收熱量，降低鋼材表面的溫度，延緩鋼材的性能劣化。防火保護(hù)加強(qiáng)：在鋼結(jié)構(gòu)表面噴涂防火涂料是一種常見且有效的防火保護(hù)措施。防火涂料能夠在火災(zāi)中形成一層隔熱層，阻止熱量向鋼材傳遞，延緩鋼材溫度的升高。薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料涂層厚度一般為2-7mm，高溫時(shí)膨脹增厚，耐火極限可達(dá)0.5-1.5h；厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料涂層厚度一般為8-50mm，主要成分為無(wú)機(jī)絕熱材料，耐火極限可達(dá)0.5-3.0h。在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)中，根據(jù)結(jié)構(gòu)的耐火等級(jí)要求，選擇合適的防火涂料進(jìn)行噴涂，能夠有效提高結(jié)構(gòu)的耐火性能。采用防火板材包覆鋼結(jié)構(gòu)也是一種有效的防火保護(hù)方法。防火板材如纖維增強(qiáng)水泥板、石膏板、蛭石板等，具有良好的隔熱性能和耐火性能。將防火板材包覆在鋼結(jié)構(gòu)表面，能夠形成一道堅(jiān)固的防火屏障，保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)免受火災(zāi)的侵襲。在某多高層鋼框架結(jié)構(gòu)中，采用纖維增強(qiáng)水泥板對(duì)鋼柱進(jìn)行包覆，經(jīng)過火災(zāi)試驗(yàn)驗(yàn)證，在火災(zāi)持續(xù)1.5小時(shí)的情況下，鋼柱的溫度升高得到了有效控制，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了保障。設(shè)置防火分區(qū)和防火隔斷能夠有效限制火災(zāi)的蔓延范圍，減少火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。通過設(shè)置防火墻、防火卷簾等防火隔斷設(shè)施，將建筑物劃分為多個(gè)防火分區(qū)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能夠阻止火勢(shì)的蔓延，使火災(zāi)局限在一定區(qū)域內(nèi)，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)的其他部分不受火災(zāi)影響。在某多高層鋼框架結(jié)構(gòu)中，合理設(shè)置了防火分區(qū)和防火隔斷，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火勢(shì)被控制在一個(gè)防火分區(qū)內(nèi)，其他防火分區(qū)的結(jié)構(gòu)未受到火災(zāi)的破壞，大大降低了結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。六、多高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)策略6.1概念設(shè)計(jì)在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從宏觀層面為結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。它涵蓋建筑平面形式、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件選型等多個(gè)方面，通過遵循一系列科學(xué)合理的原則，有效提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。合理選擇建筑平面形式：建筑平面形式對(duì)結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能有著深遠(yuǎn)影響。簡(jiǎn)單、規(guī)則的平面布置，如矩形、正方形等，在力學(xué)性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)。以矩形平面為例，其結(jié)構(gòu)布置均勻，傳力路徑簡(jiǎn)潔明了，在偶然荷載作用下，能夠使結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布更加均勻，有效避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。相比之下，“U”形、“L”形或狹長(zhǎng)形等不規(guī)則平面布置存在諸多弊端。在“U”形平面結(jié)構(gòu)中，凹角部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)受到偶然荷載作用時(shí)，該部位的構(gòu)件更容易發(fā)生破壞，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)的連鎖反應(yīng)，增加連續(xù)倒塌的風(fēng)險(xiǎn)；狹長(zhǎng)形平面則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)度方向上的剛度不均勻，在水平荷載作用下，容易產(chǎn)生較大的變形和內(nèi)力，降低結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力。對(duì)于抗連續(xù)倒塌能力要求高的結(jié)構(gòu)，應(yīng)堅(jiān)決避免平面布置出現(xiàn)凹角。在設(shè)計(jì)醫(yī)院、學(xué)校等人員密集且對(duì)安全要求極高的建筑時(shí)，優(yōu)先選擇簡(jiǎn)單規(guī)則的平面形式，以確保在極端情況下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保障人員的生命安全。優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置：采用多跨規(guī)則的超靜定結(jié)構(gòu)是提高結(jié)構(gòu)冗余度和整體性的重要舉措。超靜定結(jié)構(gòu)具有多余約束，當(dāng)結(jié)構(gòu)中的某個(gè)構(gòu)件因偶然荷載作用而失效時(shí)，其他構(gòu)件能夠通過內(nèi)力重分布承擔(dān)額外的荷載，從而維持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。在多跨鋼框架結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)跨間都相互關(guān)聯(lián)，形成了一個(gè)有機(jī)的整體。當(dāng)某一跨的柱子失效后，相鄰跨的梁和柱子能夠協(xié)同工作，通過內(nèi)力的重新分配，將原本由失效柱子承擔(dān)的荷載傳遞到其他部位，避免結(jié)構(gòu)因局部破壞而引發(fā)連續(xù)倒塌。合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，確保結(jié)構(gòu)在豎向和水平方向上的剛度均勻變化，也是至關(guān)重要的。避免在豎向出現(xiàn)剛度突變，如設(shè)置柔弱層或薄弱層，因?yàn)檫@些部位在偶然荷載作用下容易率先破壞，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。在高層建筑中，隨著樓層的升高，柱子的截面尺寸和材料強(qiáng)度應(yīng)逐漸減小，但變化應(yīng)保持均勻，以保證結(jié)構(gòu)的豎向剛度連續(xù)。同時(shí)，合理設(shè)置抗震縫、伸縮縫和沉降縫，將結(jié)構(gòu)劃分為相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域，能夠有效限制偶然作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌破壞的范圍。在大型商業(yè)綜合體建筑中，通過設(shè)置抗震縫將不同功能區(qū)域的結(jié)構(gòu)分開，當(dāng)某一區(qū)域發(fā)生火災(zāi)或爆炸等偶然事件時(shí)，破壞范圍能夠被控制在該區(qū)域內(nèi)，避免對(duì)其他區(qū)域的結(jié)構(gòu)造成影響，從而減小人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。精心選型結(jié)構(gòu)構(gòu)件：選用延性好、自重較輕的材料是提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的關(guān)鍵。延性好的材料在受力時(shí)能夠發(fā)生較大的塑性變形而不發(fā)生突然破壞，從而使結(jié)構(gòu)具有更好的耗能能力和內(nèi)力重分布能力。鋼材作為多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的主要材料，其延性性能直接影響結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。在選擇鋼材時(shí)，優(yōu)先選用具有良好延性的品種，如Q345等低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等指標(biāo)能夠滿足結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力情況下的要求。自重較輕的材料可以減小結(jié)構(gòu)的自重，降低結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下的慣性力，從而減輕結(jié)構(gòu)的破壞程度。在一些大跨度的鋼框架結(jié)構(gòu)中，采用輕質(zhì)高強(qiáng)的鋁合金材料代替部分鋼材，不僅可以減輕結(jié)構(gòu)自重，還能提高結(jié)構(gòu)的整體性能。確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有一定的反向承載能力也不容忽視。在偶然荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能會(huì)受到與正常使用狀態(tài)下相反方向的荷載，如地震作用下的往復(fù)荷載。因此，在設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)考慮其在反向荷載作用下的承載能力，通過合理設(shè)計(jì)構(gòu)件的截面尺寸和配筋，確保構(gòu)件在反向荷載作用下不發(fā)生破壞，從而提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。6.2構(gòu)造措施在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)中，合理的構(gòu)造措施是提高結(jié)構(gòu)整體性和抗連續(xù)倒塌能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它主要涵蓋構(gòu)件連接、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和支撐設(shè)置等方面。構(gòu)件連接：增強(qiáng)構(gòu)件連接強(qiáng)度是構(gòu)造措施的重要內(nèi)容。在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)中，梁與柱的連接至關(guān)重要。采用全焊接連接方式時(shí)，焊縫的質(zhì)量直接影響連接的可靠性。為確保焊縫質(zhì)量，需嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，如焊接電流、電壓、焊接速度等，同時(shí)加強(qiáng)焊縫的質(zhì)量檢測(cè)，采用超聲波探傷、射線探傷等方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)焊縫中的缺陷，以保證焊縫的強(qiáng)度和延性，使其能夠有效傳遞內(nèi)力。高強(qiáng)度螺栓連接也是常用的連接方式之一，在安裝高強(qiáng)度螺栓時(shí)，要嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行操作，確保螺栓的預(yù)緊力達(dá)到設(shè)計(jì)值。通過扭矩扳手等工具精確控制螺栓的擰緊程度，防止因預(yù)緊力不足導(dǎo)致連接松動(dòng)，影響結(jié)構(gòu)的整體性。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)：合理的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能有著重要影響。在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的剛度和延性。對(duì)于剛性節(jié)點(diǎn)，可通過設(shè)置加勁肋來(lái)增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的剛度。在鋼梁與鋼柱的連接節(jié)點(diǎn)處，在梁翼緣和腹板與柱的連接處設(shè)置加勁肋，能夠有效提高節(jié)點(diǎn)的抗彎和抗剪能力，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的剛度，使節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)能夠更好地傳遞彎矩和剪力，保證結(jié)構(gòu)的整體性。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的延性。采用合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，如采用狗骨式節(jié)點(diǎn)，通過在梁端削弱截面，使塑性鉸出現(xiàn)在梁端的削弱部位，而不是在節(jié)點(diǎn)處，從而提高節(jié)點(diǎn)的延性，使節(jié)點(diǎn)在承受較大變形時(shí)仍能保持一定的承載能力，避免節(jié)點(diǎn)過早破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的傳力路徑中斷。支撐設(shè)置：支撐作為提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的重要構(gòu)件，其布置和間距的設(shè)置至關(guān)重要。合理設(shè)置支撐間距能夠有效提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)中，支撐的間距應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的高度、跨度和受力特點(diǎn)等因素進(jìn)行合理確定。對(duì)于高度較大、跨度較大的結(jié)構(gòu)，支撐間距應(yīng)適當(dāng)減小，以提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力和整體穩(wěn)定性。在高度為50m的多高層鋼框架結(jié)構(gòu)中，當(dāng)支撐間距為6m時(shí)，結(jié)構(gòu)在地震作用下的水平位移明顯小于支撐間距為9m時(shí)的水平位移，結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能得到顯著提高。在設(shè)置支撐時(shí)，還應(yīng)注意支撐的布置方式。采用交叉支撐、K形支撐等合理的支撐布置方式，能夠使支撐在結(jié)構(gòu)中形成有效的傳力體系，提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力。交叉支撐在水平和豎向方向都能提供較好的約束，能夠有效地抵抗水平力和豎向力，減小結(jié)構(gòu)的變形。在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)中，通過采取增強(qiáng)構(gòu)件連接強(qiáng)度、合理設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)和科學(xué)設(shè)置支撐等構(gòu)造措施，能夠有效提高結(jié)構(gòu)的整體性和抗連續(xù)倒塌能力，為結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下的安全性能提供有力保障。6.3設(shè)計(jì)案例分析以某城市的一座新建20層多高層鋼框架結(jié)構(gòu)寫字樓為例，深入探討抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)策略在實(shí)際工程中的應(yīng)用，全面分析設(shè)計(jì)方案的合理性和有效性。該寫字樓位于城市的商業(yè)中心區(qū)，周邊人流密集，交通繁忙。在設(shè)計(jì)階段，充分考慮了結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能，采用了一系列科學(xué)合理的設(shè)計(jì)策略。在概念設(shè)計(jì)方面，建筑平面選擇了簡(jiǎn)單規(guī)則的矩形布置，長(zhǎng)60m，寬30m，柱網(wǎng)尺寸為6m×6m，這種布置方式使得結(jié)構(gòu)的傳力路徑清晰明確，在偶然荷載作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力能夠均勻分布，有效避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。結(jié)構(gòu)體系采用了框架-支撐體系，在豎向設(shè)置了交叉支撐，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的豎向穩(wěn)定性和抗側(cè)力能力。支撐的布置間距經(jīng)過精心計(jì)算，根據(jù)結(jié)構(gòu)的高度和受力特點(diǎn)，每隔三層設(shè)置一道交叉支撐，使支撐在結(jié)構(gòu)中形成了有效的傳力體系，提高了結(jié)構(gòu)的冗余度和整體性。在構(gòu)造措施方面，梁與柱的連接采用了全焊接連接方式，為確保焊縫質(zhì)量，在施工過程中嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，對(duì)焊縫進(jìn)行了100%的超聲波探傷檢測(cè)，保證了焊縫的強(qiáng)度和延性，使梁與柱之間能夠有效地傳遞內(nèi)力。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用了剛性節(jié)點(diǎn)，并在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置了加勁肋，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的剛度和承載能力。在鋼梁與鋼柱的連接節(jié)點(diǎn)處，在梁翼緣和腹板與柱的連接處均設(shè)置了加勁肋，有效提高了節(jié)點(diǎn)的抗彎和抗剪能力，確保節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)能夠穩(wěn)定地傳遞彎矩和剪力，保證結(jié)構(gòu)的整體性。在結(jié)構(gòu)分析階段，運(yùn)用ANSYS軟件建立了該寫字樓的三維有限元模型，采用拆除構(gòu)件法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗連續(xù)倒塌性能分析。分別模擬了拆除底層角柱、邊柱和中柱三種工況下結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。模擬結(jié)果表明，在拆除底層角柱時(shí)，結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，與失效角柱相連的梁和柱的應(yīng)力雖然有所增大，但仍在材料的允許范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯的破壞和倒塌。這是因?yàn)榭蚣?支撐體系中的支撐發(fā)揮了重要作用，在角柱失效后，支撐能夠幫助結(jié)構(gòu)重新分配內(nèi)力，將原本由角柱承擔(dān)的荷載傳遞到其他構(gòu)件上，從而維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在拆除底層邊柱時(shí)，結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化也在可接受范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)能