楼板对框架结构抗连续倒塌性能的影响

楼板对框架结构抗连续倒塌性能的影响

何沙沙

本文就现浇钢筋混凝土楼板对框架结构抗连续倒塌性能的影响进行分析，并提出一些可供参考的建议。

关键词:连续倒塌;框架结构;楼板;拆除构件法

引言

楼板作为房屋结构的重要组成部分，是结构的主要抗力构件之一，对结构的受力变形起着至关重要的作用。楼板与框架梁柱现浇成一个整体，对结构抵抗连续倒塌破坏的影响不可忽视。

本文利用ABAQUS软件分析一幢3层框架结构在拆柱后的抗连续倒塌破坏性能。建立纯框架模型和加楼板框架模型，分析楼板对框架结构抗连续倒塌的影响。

1模型的建立

1.1模型拆柱位置

本文模型框架依据我国现行结构设计规范，利用PKPM软件设计。通过移除柱的方式来模拟结构的连续倒塌初始破坏。在设计中，去掉的柱子的选择受几个方面的因素控制[2]，包括：破坏可能发生的位置、结构体系的类型和建筑物的平面布置。本文模型的拆柱位置如图1。

按照DOD建议的原则，当结构局部失去稳定性且最大竖向位移达到跨度的1/3时，则认为结构将会发生连续倒塌。为了更好地模拟结构的倒塌过程，本文通过多次计算，最终将分析时间t定为5.23s，其中0~0.2s为静力加载时间，0.2~0.23s为拆除构件时间，而0.23~5.23s为拆除构件后剩余结构的非线性动力分析时间。

2楼板对框架结构抗连续倒塌性能的影响

建立加楼板框架和不加楼板框架分别在底层长边中柱、角柱、短边中柱、内部柱失效时的模型进行分析。相应的结果分析见表1。

表1加楼板框架与不加楼板框架失效点竖向位移比较

由以上数据分析可知，楼板对于结构连续倒塌影响相当大。长边中柱失效时，不加楼板的模型失效点的最大竖向位移为0.915m，而加楼板的模型失效点的最大竖向位移为0.015m，前者为后者的61倍；短边中柱失效时，不加楼板的模型失效点的最大竖向位移为0.826m，而加楼板的模型失效点的最大竖向位移为0.015m，前者为后者的55.1倍；而角柱和内部柱失效时，楼板的影响相对较小，相应数据仅为2.28倍和1.24倍。由此可见，楼板对结构的抗倒塌能力有显著的提高，主要体现在长边中柱和短边中柱的失效点的竖向位移上，对角柱和内部柱失效时的竖向位移影响较小。总的来说，采用不加楼板的纯框架分析结构的抗连续倒塌作用时，分析结果过于保守。

对比四种不同位置柱失效的情况，发现不加楼板时，长边中柱、短边中柱和角柱失效，失效点竖向位移非常大，最大达到2.4m，而内部柱失效，失效点竖向位移很小，最大仅为0.068m，说明在进行框架结构连续倒塌设计时，框架结构内部柱失效相对较安全，而长边中柱、短边中柱和角柱部位需要特别加强。当模型中考虑楼板作用时，长边中柱和短边中柱失效点的竖向位移得到显著减小，而角柱和内部柱失效点的竖向位移减小不明显，角柱失效点的竖向位移仍很大，最大位移可达1.054m。说明即使考虑楼板作用，角柱失效对于框架结构发生连续倒塌的风险仍很大，需要重点加强。

当不考虑楼板时，长边中柱失效点的竖向位移曲线呈现两个平台，在t=0.23s拆除柱的瞬间，失效点急剧下降；而当t=0.7s时，竖向位移达到0.25m，此后失效点下降较为平缓；当t=1.5s时，曲线又呈现急剧下降的趋势；到t=2.7s之后，曲线再次趋于平缓，失效点竖向位移增加幅度不大。在这整个过程中，失效点上的梁开始处于拱机制，而后随着加载时间的推移，拱机制破坏，梁进入悬链线机制。角柱失效的情况中，失效点的竖向位移之所以在两种模型中都很大，是因为当角柱失效后，其上部与之相邻的框架梁均变为悬挑构件，失效点处梁端无足够的约束，使得该梁只能形成梁机制，而无法形成内拱机制和悬链线机制。故角柱失效导致的结构连续倒塌的危害会更严重，建议加强角部框架柱的设计。可以推断，框架结构建模时是否考虑楼板，不仅会对失效柱顶的竖向位移产生影响，还会影响其上部梁的受力机制的变化。

图3长边中柱失效时相邻柱B顶端的水平位移

3结论

本文利用ABAQUS有限元软件分别建立了带楼板和不带楼板的框架结构模型，采用拆除构件法，在两种模型上分别拆除长边中柱，短边中柱，角柱和内部柱，对该结构进行抗连续倒塌分析，得出以下结论：

对比四种位置框架柱失效时失效点的竖向位移，发现不加楼板时，长边中柱、短边中柱和角柱失效，失效点的竖向位移都非常大，考虑楼板作用后，长边中柱和短边中柱失效时失效点的竖向位移得到显著的减小，角柱失效的竖向位移减小不明显。内部柱失效时，失效点竖向位移很小，考虑楼板后竖向位移减小也不明显。说明在进行框架结构连续倒塌设计时，框架结构内部柱失效相对较安全，长边中柱和短边中柱失效在考虑楼板作用后比较安全；而角柱失效，即使考虑楼板作用，框架结构发生连续倒塌的风险仍然很大，需要重点加强。

参考文献:

[1]梁益,陆新征等.楼板对结构抗连续倒塌能力的影响.四川建筑科学研究,2010,63(2)

[2]弗兰西斯.K.哈梅.PreventionofProgressiveCollapseinMultisroryConcreteBuildings

[3]谢甫哲,舒赣平,凤俊敏.基于抽柱法的钢框架连续倒塌分析.东南大学学报(自然科学版),2010,40(1)