钢-混凝土组合框架子结构动态倒塌性能试验研究_杨涛.pdf

振 动 与 冲 击 第 39 卷第 13 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol. 39 No.13 2020 基金项目 国家自然科学基金资助项目51568005;51868004;中国博士 后科学基金项目43XB3782XB 收稿日期 2019 -01 -07 修改稿收到日期 2019 -04 -05 第一作者 杨涛 男,博士,副教授,1979 年生 通信作者 彭修宁 男,博士,教授,1973 年生 钢-混凝土组合框架子结构动态倒塌性能试验研究 杨 涛1,2,3, 赵 凯1, 彭修宁1,2 1. 广西大学 土木建筑工程学院,南宁 530004; 2. 工程防灾与结构安全教育部重点实验室,南宁 530004; 3. 广西新发展交通集团有限公司,南宁 530029 摘 要为了研究中柱失效后钢-混凝土组合框架结构的动态倒塌性能,对 2 个 1/3 缩尺的组合框架子结构试件 进行了抽柱试验研究。 研究结果表明当在组合框架梁上分别悬挂 30 kN 和60 kN 的配重时,2 个试件在中柱处的最大动 态位移至少为振动停止后静态位移的 1. 34 倍;在中柱抽除后,剩余结构仍处于弹性受力阶段且阻尼比较小;采用栓钉抗 剪连接件的组合框架梁具有较大的加速度响应和动态位移响应;组合梁中采用开孔板连接件的框架子结构具有较好的整 体刚度,其受倒塌荷载动力冲击作用的影响相对较小;随着中柱竖向位移的增加,组合框架倒塌荷载动力增大系数DIF 呈现两阶段的变化规律。 基于试验研究,建立了组合框架倒塌荷载 DIF 的数学计算模型。 该研究成果可为钢-混凝土组 合框架结构的倒塌性能分析提供参考。 关键词 钢-混凝土组合梁;连续倒塌性能;动力响应;抗剪连接件;动力增大系数 中图分类号 TU398. 9;TU317. 1 文献标志码 ADOI10. 13465/ j. cnki. jvs. 2020. 13. 006 Tests for dynamic collapse perance of steel-concrete composite frame substructures YANG Tao1,2,3, ZHAO Kai1, PENG Xiuning1,2 1. College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2. MOE Key Lab of Disaster Prevention and Structural Safety, Nanning 530004, China; 3. Guangxi Xinfazhan Transportation Group Co. Ltd. , Nanning 530029, China Abstract To investigate dynamic collapse perance of a steel-concrete composite frame structure after a middle column failure, tests with a column removed were conducted on two 1/3 scaled specimens of composite frame substructures. Test results showed that when the additional weights of 30 kN and 60 kN are hung on a steel-concrete composite frame beam, respectively, the maximum dynamic displacements at its middle column are at least 1. 34 times of the same position’s static displacements after vibration stopped, respectively; after the middle column is removed, the residual structure is still in elastic force-bearing stage and its damp ratio is smaller; the frame beam with stud anti-shear connectors has larger acceleration response and dynamic displacement one; the frame substructure with perforated plate connectors in composite beams has better integral rigidity and effects of collapse load’s dynamic impact action on it are relatively smaller; with increase in vertical displacement of the middle column, the collapse load’ s DIF of composite frames reveals a two-stage varying law; the calculation model of the collapse load’s DIF of composite frames is built based on test investigation; the test results can provide a reference for collapse perance analysis of steel-concrete composite frame structures. Key words steel-concrete composite beam; progressive collapse perance; dynamic response; anti-shear connector; dynamic increase factor DIF 钢-混凝土组合结构可以充分发挥钢材的受拉性能 和混凝土的受压性能,在工程实践中有较多的应用。 在爆炸、火灾等偶然作用下,局部结构构件的破坏可能 导致钢-混凝土组合框架结构的整体连续倒塌破坏。 为 了提高钢-混凝土组合结构的安全可靠度,国内外学者 采用模型试验、理论分析等方法对其抗倒塌性能开展 了一系列的研究。 Tan 等[1]提出在混凝土楼板中布置 水平钢索来改善结构的受力,研究表明该措施能够有 效提高结构的抗倒塌承载能力。 Yu 等[2]对钢框架组 ChaoXing 合楼板的连续倒塌性能展开了有限元分析,研究表明 板中预应力筋的存在能有效提高节点处混凝土的抗裂 性能。 Fu 等[3]对某多层组合框架在单柱或多柱拆除 之后的抗连续倒塌性能进行了分析,研究表明混凝土 板中的钢筋网片能显著提高结构的抗连续倒塌能力。 陈俊岭等[4]对二层钢框架-组合楼板进行了动态倒塌 试验研究,研究表明边跨中柱失效后组合楼板对钢梁 有较强的拉结能力,能够有效提高结构的抗倒塌能力。 高山等[5]对一个四跨单层的钢-混凝土组合框架开展 了静力倒塌试验,研究表明在中柱失效后剩余结构的 框架梁中会产生压拱和悬链线效应,这些受力机制能 有效提高结构的塑性承载能力。 Guo 等[6]对中柱失效 后的半刚性连接组合框架进行了静力倒塌试验研究, 研究表明螺栓的力学性能是影响此类结构抗倒塌性能 的主要因素。 Yang 等[7-8]对中柱失效后组合框架梁柱 节点的受力性能展开了试验研究,分析了分别采用端 板连接和腹板连接盖板连接时节点的受力性能。 王来 等[9]基于组合楼板的双向受拉模型,探讨了楼板对钢 框架结构抗连续倒塌性能的影响。 杨涛等[10-11]采用有 限元方法分析了组合梁的跨高比、栓钉间距、板中配筋 率等参数对组合梁抗连续倒塌性能的影响,探讨了倒 塌荷载动力增大系数的取值方法。 Jeyarajan 等[12]通过 对某多层组合框架连续倒塌性能的分析指出,当考虑 楼板的影响时角柱失效比边柱失效更容易引起结构的 连续倒塌。 乔惠云等[13]分析了空腹机制对多层框架连 续倒塌的影响,指出空腹机制与其它机制共同抵抗不 平衡荷载。 综上,目前对钢-混凝土组合框架开展的动态倒塌 试验研究仍然较少,有必要开展相关研究工作。 本文 设计了 2 个 1/3 缩尺比例的单层两跨的钢-混凝土组合 框架子结构试件,通过对其开展中柱失效情况下的倒 塌试验,研究组合框架子结构的动力倒塌响应和结构 损伤特点;结合静力倒塌试验结果,探讨开展静力倒塌 分析时倒塌荷载动力增大系数的取值方法。 1 试验概况 1. 1 试件设计 以某 5 层钢-混凝土组合框架结构为原型设计子结 构试件,子结构在原型结构中位于图 1 中虚线所围区 域。 框架梁跨度为7 800 mm,梁轴线间距为4 500 mm。 原型结构中楼面永久荷载标准值和活荷载标准值分别 取 2. 5 kN/ m2和 3. 0 kN/ m2;混凝土强度等级为 C50。 按照 1/3 缩尺比例制作 2 个单层两跨的钢-混凝土组合 框架子结构试件,编号分别为 CB1 和 CB2。 试件的尺 寸和配筋如图 2 所示,其中短柱 B 用于模拟失效中柱。 子结构的组合框架梁跨度取 2 600 mm,混凝土板厚 70 mm。 试件 CB1 的组合框架梁采用栓钉抗剪连接件,栓 钉沿梁长双排布置,间距为 100 mm,栓钉的布置方式 见图 3a;试件 CB2 组合框架梁采用开孔板抗剪连接 件,开孔板高50 mm,开孔直径为25 mm,开孔中心间距 为 150 mm,每个孔内布置直径为 10 mm 的横向受力钢 筋,开孔板连接件的布置形式如图 3b所示。 2 个试 件的钢梁和钢柱均采用 Q235 级热轧 H 型钢,钢柱规格 为 HW 200 200 8 12,钢梁规格为 HM 150 100 6 9,梁柱节点采用全焊接刚性连接。 混凝土板中钢 筋采用 HRB400 级钢筋,纵筋和横向钢筋的端部均焊 接长度为 50 mm 的钢筋以增强钢筋与混凝土的机械锚 固力。 实测的混凝土轴心抗压强度和弹性模量分别为 34. 9 MPa 和 3. 48 104MPa;实测的钢材力学性能见 表 1。 图 1 原型结构立面图 Fig. 1 Elevation of the prototype structure 图 2 试件尺寸与配筋图 Fig. 2 Dimensions and reinforcement of the specimens a 栓钉连接 b 开孔板连接 图 3 两种抗剪连接形式 Fig. 3 Two types of shear connectors 73第 13 期杨涛等 钢-混凝土组合框架子结构动态倒塌性能试验研究 ChaoXing 表 1 钢材力学性能 Tab. 1 Mechanical perance of steel 规格 屈服强度/ MPa 极限强度/ MPa 弹性模量/ MPa 钢柱 翼缘2854261. 99 105 腹板3264602. 08 105 钢梁 翼缘2973912. 05 105 腹板3204062. 08 105 开孔板2934431. 96 105 钢筋4956391. 86 105 1. 2 加载与测试方案 试验加载装置如图 4 所示。 试件边柱柱脚通过高 强螺栓与钢梁支座相连接,钢梁支座通过地锚螺栓固 定在试验台座上。 试件的框架梁端、边柱的上层柱分 别通过高强螺栓和两端带铰的钢构件与 A 字形反力架 相连,以此模拟相邻结构构件对子结构受力性能的影 响;边柱上层柱的连接位置设在距混凝土板顶约 505 mm 处。 试验过程中,使用液压千斤顶在两个边柱的柱 顶分别施加 440 kN 的竖向荷载。 根据 DoD 规范[14], 倒塌荷载按照1. 2 DL 0. 5 LL的方法取值,其中 DL 和 LL 分别代表恒载和活载。 为了模拟由楼板和次 梁传递至组合框架梁上的荷载,在每根框架梁的 4 分 点位置上分别悬挂 3 份等重量的钢板配重。 根据计算 分析,框架梁上悬挂的钢板配重分为30 kN 和60 kN 两 种工况,配重的选取主要基于以下考虑① 参照原型结 构的荷载设计值,可将作用于框架梁上的荷载等效为 总重 30 kN 的配重,理论分析表明中柱失效后剩余结 构仍会处于弹性受力状态;② 当组合框架承受大于设 计荷载的作用时,剩余结构可能进入弹塑性受力阶段 并呈现不同的倒塌响应;受实验室条件和加载空间的 限制,框架梁上悬挂的配重最终取 60 kN约为 2 倍设 计荷载。 试验过程中每次悬挂配重前,在所模拟的失 效中柱下均设置临时钢支撑,钢支撑和中柱底部间设 置钢滚珠,试验时用悬挂在反力架上的钢梁快速撞击 临时支撑实现抽柱;每次抽柱前、后分别测试试件的动 力特性。 为了采集抽柱后的结构响应,在试件每根框架梁 的跨中及失效中柱的柱顶分别布置速度和加速度传感 器;沿梁跨度方向布置位移传感器以测量梁的动态竖 向位移。 此外,在试件与 A 字形反力架相连接的水平 钢连杆上布置拉压式荷载传感器。 具体测点布置如图 4 所示。 在靠近边柱框架梁端截面的混凝土板的纵向 钢筋和钢梁上、下翼缘上分别布置应变测点,测点布置 见图2,图中字母 S 和 G 分别代表混凝土板纵向钢筋和 钢梁上的测点。 图 4 试验装置 Fig. 4 Test setup 2 试验现象 1 30 kN 配重下的结构受力 对于试件 CB1,在与边柱相邻的框架梁端的混凝 土板顶以及与失效中柱相邻的框架梁端的混凝土板底 各观测到 1 条裂缝。 对于试件 CB2,在与边柱相邻的 两个框架梁端的混凝土板顶各观测到 1 条裂缝,除此 之外未观测到其他破坏现象。 抽除中柱支撑后,试件 CB1 和 CB2 在失效中柱处的最大加速度分别为 27. 5 m/ s2和 12. 6 m/ s2。 根据应变数据和宏观现象可以判 定中柱失效后 2 个试件在 30 kN 配重作用下仍处于弹 性受力状态且受力形态较为相似,未观测到除混凝土 板开裂之外的其他结构损伤。 图 5 为抽柱后试件 CB1 的受力形态。 图 5 抽柱后试件 CB1 的受力形态 Fig. 5 The mechanical pattern of specimen CB1 after the removal of the column 2 60 kN 配重下的结构受力 在完成 30 kN 配重下的抽柱试验后,由于试件仍 处于弹性受力阶段,因此忽略结构残余变形的影响。 重新在中柱下设置临时钢支撑,并在框架梁上悬挂总 重为 60 kN 的配重,采用相同的方法对试件进行抽柱 试验。 在此工况下,试件 CB1 和 CB2 在失效中柱处的 最大动态竖向位移分别为 13. 9 mm 和 13. 0 mm,最大 加速度分别为 32. 1 m/ s2和 22. 6 m/ s2。 振动停止后, 试件 CB1 和 CB2 失效中柱的竖向静态位移分别为 9. 5 mm 和 9. 6 mm,结构损伤主要表现为靠近边柱梁端的 混凝土板顶和靠近中柱梁端的混凝土板底分别产生若 干条细微的新裂缝。 83振 动 与 冲 击 2020 年第 39 卷 ChaoXing 3 主要试验结果分析 3. 1 动态位移响应 与悬挂30 kN 配重时相比,悬挂60 kN 配重后结构 动态位移幅值明显增大。 图 6 为 2 个试件在 60 kN 配 重作用下中柱处的动态位移时程曲线。 对比分析可 知,两种工况下试件中柱处的动态竖向位移在抽柱瞬 间达到最大值;将中柱最大动态位移幅值 Δd,max与振动 停止后的静止位移 Δs的比值定义为动态位移增大系 数 βΔ,则 2 个试件中柱处的 βΔ见表 2。 由于位移计工 作异常,表 2 中未列出试件 CB1 在 30 kN 配重作用下 的位移数据。 对比可知,试件 CB1 和 CB2 在两种工况 下的动态位移增大系数 βΔ均不小于1. 34;试件 CB1 的 最大动态位移以及 βΔ均略大于试件 CB2,这一现象与 试件 CB2 的组合梁中采用了开孔板连接件而提高了梁 的整体刚度有关。 a 试件 CB1 b 试件 CB2 图 6 中柱处的位移时程曲线 Fig. 6 Displacement time history curves at the middle column 表 2 试件的位移响应 Tab. 2 Displacement responses of the specimens 试件配重/ kNΔd,max/ mmΔs/ mmβΔ CB1 30 6013. 99. 51. 46 CB2 303. 92. 91. 34 6013. 09. 61. 35 3. 2 钢梁的动态应变响应 当在梁上悬挂 60 kN 配重时,2 个试件靠近边柱梁 端截面图 2 中 1-1 截面处钢梁上、下翼缘的应变时 程曲线如图7 所示。 由图7 可知,中柱失效后2 个试件 钢梁上翼缘应变在整个动态倒塌过程中都处于受拉状 态,钢梁下翼缘应变均呈受压状态,这表明靠近边柱梁 端截面的中和轴均位于钢梁腹板内。 根据钢梁上、下 翼缘的应变关系,试件 CB1 和 CB2 边柱梁端截面的中 性轴分别位于距钢梁下翼缘的 2/3 和 3/4 倍的钢梁高 度处。 此外,试件 CB2 的最大动态拉应变和压应变均 小于试件 CB1,这表明由于试件 CB2 采用了开孔板连 接件而具有较高的截面刚度,降低了弯矩作用下的截 面曲率与截面应变。 a 试件 CB1 b 试件 CB2 图 7 60 kN 配重下钢梁的应变时程曲线 Fig. 7 Strain time history curves of steel girders with 60 kN suspension weight 3. 3 板中纵向钢筋动态应变响应 2 个试件在 30 kN 和 60 kN 配重作用下边柱梁端 截面图 2 中 1-1 截面混凝土板内纵向钢筋的应变时 程曲线如图 8 所示。 由图 8 可知,边柱梁端截面混凝 土板中纵向钢筋在结构动态倒塌过程中一直受拉;在 30 kN 配重工况下,振动停止后试件 CB1 和 CB2 混凝 土板中纵向钢筋测点处的应变分别为 38 με 和 55 με, 最大动应变和静应变的比值分别为1. 18 和1. 34;在60 kN 配重工况下,振动停止后试件 CB1 和 CB2 混凝土板 中纵向钢筋应变分别为 99 με 和 351 με,最大动应变 和静应变的比值分别为 1. 25 和 1. 55。 对比可知,动态 倒塌过程中试件 CB2 混凝土板中纵向钢筋承受较大拉 力,这一现象与组合梁所采用的连接件类型以及纵筋 在混凝土板中的位置有关试件 CB2 采用了开孔板连 接件,组合截面的整体刚度相对较好,混凝土板中纵向 钢筋距组合截面中和轴位置较远,钢筋应变偏大;试件 CB1 采用了栓钉抗剪连接件,组合截面整体性相对较 差,钢梁和混凝土板分别绕其形心轴转动,而混凝土板 内纵向钢筋靠近混凝土板的形心轴,故钢筋应变较小。 93第 13 期杨涛等 钢-混凝土组合框架子结构动态倒塌性能试验研究 ChaoXing a 试件 CB1 b 试件 CB2 图 8 板中纵向钢筋应变时程曲线 Fig. 8 Strain time history curves of longitudinal slab reinforcement 3. 4 试件的加速度响应 图 9 为 2 个试件在 30 kN 和 60 kN 两种工况下失 效中柱处的加速度时程曲线,取加速度向上为正。 试 件的加速度峰值见表 3。 对比分析可知,在 30 kN 配重 作用下,试件 CB1 在失效柱处的最大加速度值高于试 件 CB2;在 60 kN 配重作用下,试件 CB1 在失效柱处的 最大正向加速度高于试件 CB2,最大负向加速度则偏 低。 由于结构加速度的大小与结构所承受的惯性力相 关,可以看出在倒塌瞬间实际作用于试件 CB1 上的荷 载明显高于作用于试件 CB2 上的荷载。 这一规律与两 个试件中柱处的动态位移响应相一致,表明试件 CB1 受倒塌荷载动态冲击作用的影响更为显著。 表 3 试件加速度峰值 Tab. 3 Peak acceleration of the specimens 试件配重/ kN 最大加速度/ ms -2 正向负向 CB1 3024. 2-27. 5 6032. 1-15. 6 CB2 307. 1-12. 6 6022. 6-21. 5 a CB1-30 kN b CB2-30 kN c CB1-60 kN d CB2-60 kN 图 9 失效柱加速度时程曲线 Fig. 9 Acceleration time history curves at the failed column 3. 5 频谱分析 采用敲击法测量不同配重下试件的动力特性,实 测结构的基频 ω 和阻尼比 ξ 见表 4。 对比可知,2 个试 件在抽柱前的基频约为抽柱后基频的 2 倍;抽柱后试 件的阻尼比均有不同程度的增加,在相同试验条件下 试件 CB2 的阻尼比均大于试件 CB1。 由于两者的阻尼 比较小,组合框架子结构在中柱失效后经历了较长的 振动过程。 3. 6 连接件类型对组合框架动态倒塌性能的影响 试件 CB1 和 CB2 分别采用了栓钉和开孔板抗剪连 表 4 试件基频和阻尼比 Tab. 4 Fundamental frequency and damping ratios of the specimens 类别 30 kN 配重60 kN 配重 ω/ Hzξω/ Hzξ CB1 抽柱前18. 80. 00711. 30. 004 抽柱后9. 90. 0156. 20. 008 CB2 抽柱前18. 00. 01011. 00. 008 抽柱后9. 80. 0176. 00. 009 接件,连接件类型分别属于柔性抗剪连接件和刚性抗 剪连接件。 试验研究表明① 与试件 CB2 相比,在相 04振 动 与 冲 击 2020 年第 39 卷 ChaoXing 同倒塌荷载作用下,试件 CB1 靠近边柱梁端截面的钢 梁最大动态应变、失效中柱处的竖向加速度等动态响 应均偏高,即倒塌荷载对采用栓钉连接件的组合框架 梁的动态冲击作用更为显著;② 试件 CB2 的组合框架 梁由于采用开孔板连接件而具有较大的截面刚度,在 60 kN 倒塌荷载作用下混凝土板内纵向钢筋的应变明 显增加。 因此,在对采用开孔板的组合框架梁进行抗 倒塌设计时应考虑这一受力特点,有必要对混凝土板 的纵向钢筋予以优化配置;③ 2 个试件在抽柱前、后的 阻尼比相差不大且均不大于 0. 017,说明连接件类型对 结构阻尼比的影响不大。 4 静力倒塌试验概况 动态抽柱试验完成之后,卸去组合框架梁上悬挂 的配重,通过在中柱柱顶施加单调静力荷载分别对 2 个试件开展静力倒塌试验,静力试验主要受力过程如 下① 试件 CB1。 在受力过程中,与失效中柱相邻的组 合梁端混凝土板首先被压碎;随后,与边柱相邻的组合 梁端混凝土板面开裂。 当加载至 402 kN 时,边柱梁端 截面钢梁下翼缘和腹板先后发生局部屈曲,此时对应 的中柱竖向位移为 480 mm;受试验装置限制加载至 529 kN 时停止试验,对应的中柱竖向位移约为 579 mm。 ② 试件 CB2。 试件 CB2 的受力过程与试件 CB1 较为相似当加载至 343. 2 kN 时,边柱梁端截面钢梁 下翼缘和腹板先后发生局部屈曲,对应的失效柱竖向 位移为 460 mm;继续加载时,与边柱相邻的组合梁端 钢梁受力断裂,钢梁的断裂与开孔板和钢梁连接处的 焊缝应力集中有关。 试件 CB2 组合梁混凝土板上的裂 缝分布与试件 CB1 大体相似,主要区别在于试件 CB2 的混凝土板顶形成了一条沿梁跨度方向的纵向主裂 缝。 通过静力倒塌试验得到试件的荷载-中柱竖向位移 曲线如图 10 所示。 图 10 静力荷载-竖向位移曲线 Fig. 10 Static load versus vertical displacement curves 5 倒塌荷载增大系数 DIF 的取值方法 为了考虑倒塌荷载的动力冲击作用,采用静力方 法分析结构的抗倒塌性能时应将静力倒塌荷载乘以动 力增大系数 DIF 进行修正。 此时,DIF 的合理取值就成 为开展结构倒塌分析的关键环节之一。 倒塌荷载的 DIF 值可以通过动力倒塌试验或大样本的动力倒塌分 析获取,但这将显著增加试验和分析的工作量。 因此, 有必要探讨一种 DIF 取值的简化计算方法。 文献[15]提出了一种通过将静力荷载转化为等效 动力荷载计算倒塌荷载 DIF 值的方法,公式如下 Pd,eq 1 Δd∫ Δd 0 PdΔ1 式中Δd为静力荷载 Ps作用下失效柱处的竖向位移; Pd,eq为与 Ps对应的等效动力荷载。 在计算出 Pd,eq后, Ps与 Pd,eq的比值即为倒塌荷载的动力增大系数 DIF。 图11 为采用该方法得到的2 个试件的倒塌荷载 DIF 值 与中柱竖向位移的关系曲线,由图 11 可知当中柱位 移较小时,DIF 值接近于 2. 0;随着中柱位移的逐渐增 大,结构进入弹塑性工作状态,荷载的 DIF 值呈现先减 小后增加的变化特点。 需要注意的是,由于静力试验 过程中存在其他形式的耗能,根据式1计算出来的 Pd,eq会偏大,这将导致计算得到的荷载 DIF 值偏小。 图 11 动力增大系数与竖向位移的关系 Fig. 11 Relationship between DIF and vertical displacement 以下分两个阶段对组合框架结构倒塌荷载增大系 数 DIF 的取值进行探讨 1 弹性受力阶段。 基于动力抽柱试验可知,当 在组合框架梁上悬挂30 kN 和60 kN 的配重时,中柱失 效后剩余结构仍处于弹性工作状态。 在已知相应配重 引起的中柱竖向静止位移 Δ 的情况下,利用图 10 和式 1可得到与配重相对应的 DIF 取值。 分析可知,试件 CB1 在 60 kN 配重下的荷载 DIF 值为 1. 90;试件 CB2 在 30 kN 和60 kN 配重下的荷载 DIF 值分别为1. 93 和 1.92。 与实测的组合梁中柱处的动态位移增大系数 βΔ 相比,此处得到的倒塌荷载动力增大系数 DIF 值偏于 安全。 2 弹塑性受力阶段。 根据静力倒塌试验的结 果,以靠近边柱的组合梁端钢梁发生明显的局部屈曲 作为试件最终倒塌破坏的判断标准。 据此标准,试件 CB1 和 CB2 在最终倒塌破坏时中柱竖向位移分别为 480 mm 和 460 mm,利用式1计算得到与此位移对应 14第 13 期杨涛等 钢-混凝土组合框架子结构动态倒塌性能试验研究 ChaoXing 的倒塌荷载 DIF 值分别为 1. 83 和 1. 73。 将图 11 的横坐标进行无量纲化处理,通过拟合得 到倒塌荷载动力增大系数 DIF 的简化数学计算模型 DIF 2 -18. 7 Δ l 0≤ Δ l 0. 05 DIF 0. 789 5. 53 Δ l ≤2. 00. 05 Δ l ≤0. 2 2 式中Δ 为设计荷载引起的失效中柱处的竖向静态位 移;l 为框架梁的跨度。 该计算模型如图 12 所示。 图 12 动力增大系数的数学计算模型 Fig. 12 Mathematic calculation model of DIF 6 结 论 1 在30 kN 和60 kN 配重作用下,组合梁框架的 损伤主要集中于与边柱相邻的组合梁梁端;中柱抽除 后,剩余子结构在60 kN 2 倍设计荷载作用下仍处于 弹性工作状态;2 个试件的最大动态位移至少为静止位 移的 1. 34 倍。 2 与采用开孔板连接件的框架梁相比,采用栓 钉抗剪连接件的组合框架梁受倒塌荷载的动态冲击作 用更为显著;2 个组合框架子结构试件在抽柱前、后的 阻尼比相差不大且均不大于 0. 017,说明连接件类型对 结构阻尼比的影响不显著。 3 组合框架子结构倒塌荷载的 DIF 值随失效中 柱竖向位移的增加呈现两阶段的变化规律;基于试验 提出了组合框架倒塌荷载 DIF 值的数学计算模型,该 模型可为进行此类结构静力倒塌分析时倒塌荷载 DIF 的取值提供参考。 参 考 文 献 [ 1] TAN S, ASTANEH-ASL A.Cable-based retrofit of steel buildingfloorstopreventprogressivecollapse[ R ]. Berkeley University of California. 2003. [ 2] YU M, ZHA X, YE J. The influence of joints and composite floor slabs on effective tying of steel structures in preventing progressive collapse [ J].Journal of Constructional Steel Research, 2010, 663 442-451. [ 3] FU F. Progressive collapse analysis of high-rise building with 3-D finite element modeling [J]. Steel Construction, 2009, 656 1269-1278. [ 4] 陈俊岭,彭文兵,黄鑫. 二层钢框架组合楼板体系抗倒 塌试验研究[J]. 同济大学学报自然科学版, 2012, 40 9 1300-1305. CHEN Junling, PENG Wenbing, HUANG Xin. Experimental study on progressive collapse resistance of two-story steel moment-frame with composite slabs [J]. Journal of Tongji University Natural Science, 2012, 409 1300-1305. [ 5] 高山,郭兰慧,吴兆旗,等. 关键柱失效后组合框架抗倒塌 试验研究及理论分析[J]. 建筑结构学报,2013,344 43-48. GAO Shan, GUO Lanhui, WU Zhaoqi, et al. Experimental and analytical studies on perance of composite frame under column loss [J]. Journal of Building Structures, 2013, 344 43-48. [ 6] GUO L H, GAO S, FU F. Structural perance of semi- rigid composite frame under column loss [J]. Engineering Structures, 2015, 95 112-126. [ 7] YANG B, TAN K H. Behavior of composite beam-column joints in a middle-column-removal scenario experimental tests [J]. Journal of Structural Engineering, 2014, 1402 04013045. [ 8] YANG B, TAN K H, XIONG G, et al. Experimental study about composite frames under an internal column-removal scenario [ J].Journal of Constructional Steel Research, 2016, 121 341-351. [ 9] 王来,马洋,邱婧. 基于楼板双向受拉模型的钢框架结构 连续倒塌分析[J]. 工业建筑, 2014, 447 159-163. WANG Lai, MA Yang, QIU Jing.Progressive collapse analysis of steel frame structure with composite floor slab two- way tension model [J]. Industrial Construction, 2014, 44 7 159-163. [10] 杨涛,梁纬球,彭修宁. 钢 - 混凝土组合梁连续倒塌性能与 倒塌机理分析[J]. 武汉理工大学学报,2015,37 1 75-80. YANG Tao, LIANG Weiqiu, PENG Xiuning.Analysis on progressive collapse perance and mechanism of steel- concrete composite beams [J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2015, 371 75-80. [11] 梁纬球,杨涛,陆艺. 体外预应力钢 - 混凝土组合梁连续 倒塌性能分析[J]. 广西大学学报自然科学版,2015,40 4 862-868. LIANG Weiqiu, YANG Tao, LU Yi. Analysis on progressive collapse of externally prestressed steel-concrete composite beams [J]. Journal of Guangxi UniversityNatural Science Edition, 2015, 404 862-868. [12] JEYARAJAN S, LIEW J Y R, KOH C G.Progressive collapse analysis of steel-concrete composite frames with floor slab actions[C] / / Composite Construction VII. Australia,2013. [13] 乔惠云,杨应华,钟炜辉. 中柱失效下多层框架的连续性 倒塌分析与机理研究[J]. 振动与冲击,2018, 3722 136-143. QIAO Huiyun,YANG Yinghua,ZHONG Weihui. Progressive col