动力均布荷载作用下干式连接装配式梁柱子结构抗倒塌性能研究

1、研究背景

国务院办公厅于2016年提出指导意见“发展装配式建筑是建造方式的重大变革，是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措”，力求在2026年左右使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%，并完善装配式建筑防灾设计标准。到目前为止，装配式框架结构的抗连续倒塌研究主要针对既有节点，测试其抗倒塌性能，但节点连接方式仍存在改进空间。除此之外，科学研究结果在实际工程中的应用也存在挑战：科学研究中可以针对某个梁柱子结构进行动力非线性分析（结构真实倒塌行为）；但在实际工程设计中，对整体结构的多次重复倒塌动力非线性分析耗时耗财，因此多采用静力非线性分析来代替。这意味着研究人员需要建立两者的联系，为实际工程提供设计依据，完善相关设计方法。因此，本文主要针对上述两个问题开展研究工作：1）设计并测试抗倒塌高性能连接节点；2）开展静、动力对比分析，并给出相关的简化动力抗力计算方法。

2、框架结构连续倒塌

2.1 试件设计

首先简要介绍何谓框架结构的连续倒塌。对框架结构来说，其底层外部框架柱易遭受意外荷载。比如临街建筑即面临着车辆撞击风险，甚至汽车炸弹袭击（美国奥克拉荷马州联邦大楼），进而发生连续倒塌。如图1所示，调查认为炸弹袭击最初造成了G20柱的破坏（也可能发生了更严重的初始破坏）；失去竖向承重构件，上部重力荷载会引起结构变形，重分布内力向周围结构传递，同G轴平面上为G24和G16；当G24和G16上部节点不能抵抗重分布内力时，发生破坏，造成初始破坏进一步在结构系统内传播，最终造成与初始破坏不成比例的结构倒塌。

图1. 美国奥克拉荷马州联邦大楼

框架结构抗如何抵抗连续倒塌呢？在框架结构发生倒塌时，主要通过梁受弯变形、压拱机制（CAA）及悬链线机制（CA）来抵抗结构变形。其中压拱及悬链线为在大变形（超过常规梁受弯极限状态）下独有的抗力机制，如图2所示。随着失效中柱位移增加，梁端发生混凝土的开裂（受拉区）及压酥（受压区），边柱梁端的轴力合力作用点向下移动，中柱梁端的轴力合力作用点向上移动（靠近受压区）。双跨梁与中柱（拱顶）和边柱（拱脚）形成类似拱桥的受力模型来抵抗重力荷载，称为压拱机制。该阶段梁构件受压，梁端受弯，因此梁柱节点的抗弯能力（刚度）较为重要。在中柱变形超过一倍梁高后，拱顶高度低于拱脚，压拱机制失效。梁内压力转换为拉力，主要由钢筋轴力提供抗力。如图2所示，梁内钢筋与钢索悬挂承重模式相似，称为悬链线机制。该阶段需要保证节点的连接性，使梁内拉力充分发展。

图2. 压拱机制与悬链线机制

不同的外部框架柱破坏后结构的抗倒塌机制也不同，如图3所示：1）边柱失效时，上部单跨梁结构主要发生受弯变形（在此不讨论空腹桁架效应对抗倒塌影响，未有相关研究阐明其作用机理），无法开展压拱及悬链线机制，结构抗倒塌能力最弱；2）次边柱失效时，双跨梁结构可以依次开展压拱及悬链线机制，但由于外部梁柱节点约束较弱，不能充分发挥两个抗力机制的作用，且节点在弯矩或轴力（拉或压）作用下易发生破坏，但较边柱失效时抗倒塌能力有极大提升；3）中柱失效与次边柱失效相同，但得益于来自周边结构的约束作用，可以充分发挥压拱与悬链线机制来抵抗竖向变形，结构抗倒塌能力最强。

综上可以得出，若想保证结构的抗倒塌性能：1）避免边柱发生破坏；2）保证梁柱节点连接性，保证其受弯、受压及受拉性能。规范中也提供了相应设计思路：1）加强结构局部构件，避免初始破坏的发生；2）允许竖向承重构件发生破坏，但提高结构的冗余度，保证构件间的连接性，阻止破坏在系统内的传播。

图3. 框架结构倒塌场景

3、改进节点设计及研究方法

为提升装配式框架结构的抗倒塌能力，本文设计了三种干式节点连接形式如图4所示。TSA-D为工程中采用角钢螺栓连接形式，但本文对其进行了改进设计，将梁端钢筋与预埋钢板焊接，使钢筋轴力通过预埋钢板-螺栓-角钢有效传递至节点——保证节点的抗弯性能及连接性。而不像传统节点中只依靠混凝土受拉，相关能力无法保证。在TSA-D的基础上，进一步通过加劲肋的形式加强角钢，提高节点刚度，形成STSA-D。当节点刚度提高后，其延性一般会下降，因此将STSA-D中塑性铰区普通钢筋根据等屈服轴力原则替换为低屈服点钢（LY290）提高其断后伸长率，最终达到提高节点延性且保证刚度的效果，形成DSTSA-D。

在性能测试方面，本文考虑了次边柱失效的倒塌场景（图5），以考察设计节点在较弱约束下的抗弯、受压及受拉性能，且在节点区域柱外侧设置了钢桶，增加其抵抗梁轴力的能力。试件采用了等配筋率下1/3缩尺，并根据缩尺后梁端抗弯承载力设计干式节点连接构件，达到等同现浇标准。图6为动力倒塌试验方案：1）在梁柱反弯点处通过铰接形式连接至反力架，并测量其反力；2）边柱施加200 kN轴力模拟上部结构传来荷载；3）中柱与瞬脱钩连接后，将均布重力荷载悬挂于梁及中柱；4）待结构平稳后释放瞬脱钩，模拟中柱失效，结构发生动力倒塌。其中，选取了极端重力荷载，激发结构的完全倒塌，以获得全过程动力倒塌响应。

为建立与实际工程之间的联系，将动力分析结果与之前开展静力研究（新论文：均布荷载下干式连接装配式混凝土梁柱子结构抗连续倒塌承载力研究）进行了全面的对比分析。随后建立了简化，且全面考虑动力倒塌因素的子结构动力倒塌抗力评估方法，为工程设计提供参考。

图4. 干式节点连接形式

图5. 试件信息

图6. 试验方案

4、研究结果

结构变形

动力倒塌时，梁构件受弯变形不能充分发展。图7展示的静、动力倒塌场景下梁竖向变形曲线对比表明，当发生同样的中柱位移时，动力倒塌引起梁构件弯曲变形均小于静力倒塌。梁构件变形集中于梁端，如图8所示，动力倒塌时，相同中柱位移下梁端钢筋受压应变、节点角钢变形均大于静力倒塌时的变形。

(a) TSA 静动力变形对比 (b) STSA 静动力变形对比

图7. 梁构件竖向变形对比

(a) TSA-D / TSA (b) STSA-D / STSA

图8. 梁端材料应变（局部变形）

应变率效应

动力倒塌时，材料发生快速变形，其相应的性能会随着应变（相对原始状态伸长或缩短的百分比）增加的速度变化，即材料的应变率效应。在本试验中，钢筋、混凝土及角钢等材料的最大应变率分别达到了，2.89，0.15及0.05s-1，对钢筋屈服强度的增强达到了1.44倍，将极大影响结构倒塌抗力，应变率效应在静力分析中不可忽略。

结构水平反力

在静、动力不同的倒塌场景下，结构的水平反力发展时相近的。但在STSA中发现，其动力水平反力远小于静力水平反力。这是装配节点中，梁、柱之间缝隙造成的影响——通过验证后的有限元模型研究发现，消除节点缝隙这一缺陷后，其静、动力水平反力发展相当。该结果表明，干式连接节点的初始缺陷会严重影响结构的抗倒塌性能。

(a) TSA-D / TSA (b) STSA-D / STSA

图9. 水平反力对比

动力倒塌抗力评估方法

结构在外力作用下发生变形，外力做功转换为结构内能及耗散能量，则在静力分析中存在下式表达的关系：

其中，P 为施加的外荷载，与结构反力RSS（称为结构狭义静力抗力）相等；d 为结构变形，而Ein 为结构变形储存的变形能及耗散能量。

假设Ein 不变，认为在动力情况下，重力做功也转化为结构变形能及耗散能量，且忽略动力效应，则下述关系成立：

其中，RSD为结构狭义动力抗力。

由于结构反力随着结构变形而变化，因此上式可以更准确的表述为：

上述计算即为通过静力分析评估结构动力抗力的传统能量方法。该方法忽略了结构动力倒塌对结构反力的影响——应变率效应及动力损伤，且忽略了动力过程中阻尼效应的影响。在实际动力倒塌过程中结构的抗力满足如下动平衡方程：

其中，fs 与fc 分别为结构反力与阻尼力，其合力为动力倒塌过程中结构真实抗力，命名为广义静力抗力，RUS；v 和a 分别为中柱位移速度和加速度，为d 的一阶和二阶导数。在这种情况下结构的内能及耗散能量和外力（P – ma）做功满足如下关系：

其中RUD为结构真实动力抗力，或广义动力抗力。该方法则为改进能量方法。

有限元验证

鉴于动力抗力的性能点需要施加不同动力荷载进行多次动力倒塌分析获得，本文采用了经过试验验证的有限元模型进行多次动力释放模拟来获得验证的性能点。除此之外，结构的广义静力抗力也由有限元模型中的柱底反力获得。

(a) TSA (b) STSA

图10. 动力倒塌抗力

结果表明，通过引入真实动力倒塌过程中的结构抗力，改进的能量方法能够较为准确的评估结构动力倒塌抗力，且能得到较为保守的极限动力倒塌抗力评估结果。而传统能量方法中，由于未考虑真实动力倒塌情况下材料的应变率效应，在初期极大的低估了结构的动力倒塌抗力；忽略结构的动力损伤也导致其高估了结构的极限动力倒塌抗力。

动力倒塌抗力对比表明，加强角钢虽然能提升节点刚度，增加结构的倒塌抗力——STSA-D为90kN，TSA-D为85kN。但随后由于位移达到150mm后（压拱机制阶段），节点处钢筋依次断裂（节点连接性差），倒塌抗力无继续提升（未有效开展悬链线机制）。将普通钢筋替换为LY290后，随然极大增加了结构延性（节点连接性）——当位移达到1/5梁跨时，仍能开展有效动力抗力。但由于该材料表面较为光滑，其与混凝土粘结作用降低，极限倒塌动力倒塌抗力降低，仅为82 kN，远低于STSA-D。因此，在进行抗倒塌高性能节点设计时，需同时考虑压拱机制（结点刚度）及悬链线机制（节点连接性）的开展。

5、主要结论

（1）相较于静力场景，框架梁在动力倒塌场景下变形不充分，集中于梁端；

（2）静、动力倒塌场景下结构水平反力发展相似；

（3）动力倒塌场景下，干式连接节点处初始缺陷显著影响结构抗倒塌性能，需引起重视；

（4）改进的能量方法纳入真实的动力平衡方程，能够考虑应变率效应及结构动力损伤影响，得到更加准确的动力倒塌抗力评估。