拆除杆件法倒塌分析在公交车停车楼中的应用论文_马苏川

摘要：本文对公交车停车楼的抗连续倒塌能力进行研究，采用通用有限元程序SAP2000对拆除部分竖向构件之后的内力变化进行对比与分析，得出了拆除部分竖向构件后，相关区域的梁柱内力变化，提出设计过程中的加强措施，并通过极限承载力分析验证加强措施的可行性。

关键词：公交车停车楼；鲁棒性；抗连续倒塌

1.引言

城市化的高度发展导致人流量的高度集中，城市用地资源紧张，公交车停车场发展至今形成立体停车库，立体停车库这种特殊的框架结构，无论在设计阶段还是施工阶段都将面临很多比较棘手的工程问题，本文即将开展研究公交车库的鲁棒性[1]问题。

对于公交车停车楼，可能会遇到公交车由于刹车故障、或者司机疲劳之后，对结构竖向构件的发生碰撞事故，导致结构某一个部位的一根柱子或者几根柱子失效，如果结构不能承担这种初始的损害，破坏在结构中连续发生，导致结构出现连续倒塌[2]问题。

对于公交车停车楼在某些构件由于偶然的因素失效后，结构的连续倒塌问题研究较少，本文将对其进行详细分析后给出加强措施。

2.结构抗连续倒塌的设计方法

在结构连续倒塌进行分析的过程中主要有以下几种设计方法[3]：事件控制法、间接法和直接法。事件控制法，主要是在源头上减小可能致使结构连续倒塌主要可能性，但是有些偶然的因素是不可避免的，这种方法也不推荐使用。以下对后两种分析方法进行比较详细的介绍。

2.1间接设计法

间接设计法有以下几种设计方法：概念设计法、拉结强度设计法、拆除构件设计法、关键构件设计法。以上设计方法在各国规范中均有较为广泛的体现，国内外不同规范[4~6]关于连续倒塌设计方法的规顶略有差异，但是最终目标均是防止结构发生连续倒塌给人民生命财产造成重大的损失。

2.2直接设计法

直接设计法指的是采用某个特定的方法对结构进行抗连续倒塌分析与设计的一种方法，直接设计法包含局部抵抗偶然荷载法、分段或隔离结构法，备用荷载路径法（Alternate Path Method，简称AP法）等，其中备用荷载路径法和局部抵抗偶然荷载法是最常用的抗连续倒塌设计方法。

本文将采用拆除杆件法研究结构的内力变化规律，从而给出结构设计中的加强措施。

3.公交车停车楼倒塌分析

3.1工程概况

图1为某公交车停车楼的平面布置图及三维计算简图：

图1 某公交车停车楼结构平面布置图及结构模型计算简图

柱网：12m×16m；主梁：500mm×1100mm、次梁：350mm×1000mm；柱截面：800mm×800mm；楼板厚度：160mm。

图2 右边坡道平面柱编号及梁编号图

3.2分析方式

楼层总数为7层，因此先对全楼按照楼层数建立7个施工阶段，进行逐层施工阶段加载，然后再建立拆除杆件的施工阶段8，以图3.1中右边的车道为例，对可能在行车过程中受到偶然冲击荷载作用的柱子（这些柱子位于坡道旁边或者坡道转弯处）进行拆除构件分析，逐个拆除图3.2中所示的柱子，软件计算完成后统计上述四种荷载工况作用下，柱子轴力与弯矩的变化。拆除柱子后结构的竖向荷载会通过与拆除柱子相连的梁向周围已经拆除柱子的周围转移，传递过程中会造成梁弯矩以及剪力的增加，已经拆除柱子周围的竖向构件柱的竖向轴力增加，但是增加的幅度是多少这个有待于进一步研究确定。

3.3计算结果分析

分别提取程序计算结果中拆除不同柱子时的周边柱的轴力变化，其中拆除C1~C7柱结果汇总于表1中。

（1）柱子轴力的变化：

图3 拆除构件后剩余柱轴力增加百分比

由统计结果可知，拆除杆件后，对相邻柱的轴力影响较大，相邻柱轴力增加比例约在30%以内，拆除竖向构件部位的变形也较为显著。

（2）梁弯矩的变化

分别提取程序计算结果中，梁B1~B7在拆除竖向柱子之后的弯矩，结果汇总于表2中。

图4 拆除构件后剩余梁弯矩增加百分比

由统计结果可知，拆除杆件后，对与柱直接相梁的梁弯矩影响很大，原来梁弯矩反号，反号后的梁弯矩数值也为原来的3~6倍左右。相邻的梁弯矩也有一定的影响，弯矩变化百分比大约在10%以内。

4.结构极限承载力分析验证加强措施的有效性

从3节的分析中可以得出，在公交车停车楼的防连续倒塌设计中，应该从概念和力学分析手段双重着手进行，拟对发生撞击概率高的柱子相连的梁内增设贯通梁柱节点核心区的型钢，以改善柱子失效后梁弯矩反号承载力不足的问题，

4.1计算步骤

结构的极限承载力分析采用ABAQUS分下面几个步骤进行：

a结构施工模拟加载，考虑施工加载次序对结构内力和变形的影响。

b分别建立21个拆除柱子的模型，每个模型分别拆除一个柱子

c进行结构的极限承载力分析，对结构施加逐级增加的荷载，通过考察结构的变形与反力之间的变化曲线，追踪被拆除柱在结构顶点对应的节点的竖向位移。

d以荷载系数为纵轴，追踪到的竖向位移为横轴，绘制结构荷载位移全过程曲线。

4.2计算结果

各个模型的结果拆除柱后与不拆除柱计算模型的对比荷载位移曲线如图5所示。

图5.结构荷载位移全曲线

与原始模型相比，结构延性明显得到好转，这是因为在B1~B7跨越柱子埋设的型钢提高结构的延性措施。但是结构拆除构件后，结构的承载力均有降低，承载力降低的幅度约为25%左右，坡道中部的柱子失效后，结构的承载力降低的幅度较小，约为15%~20%。拆除C1柱子和C7柱子对结构的承载力降低的最多，其次为C5、C6、C7、C3。

通过分析得知，在公交车停车楼中，如果有偶然的因素因为C1柱和C7柱的失效，引起的影响要比其他C2~C6柱带来的影响要大。因此，在结构设计阶段对C1柱、C7柱要加强配筋，可在结构造价允许范围内柱内增设型钢。

5.结论

5.1结构部分构件移除后结构内力的变化规律：

a拆除柱子后，对相邻柱的轴力影响较大，相邻柱轴力增加比例约在30%以内，拆除竖向构件部位的变形也较为显著，在本文的算例中，可达到30mm。

b拆除柱子后，对与柱直接相梁的梁弯矩影响很大，梁弯矩反号，反号后的梁弯矩数值也为原来的3~6倍左右。相邻的梁弯矩变化百分比大约在10%以内。

5.2针对构件内力的变化规律提出了以下加强措施：

a应增加柱子的承载力富裕度，对可能遭受公交车撞击的框架柱增设钢骨，增强柱配筋等。

b钢筋混凝土结构梁柱应刚接，梁顶、底纵筋在支座出宜按受拉要求连续贯通。

c尽可能的采用坡度较小的坡道，以减小公交车运动时的动量。

d框架梁底纵筋宜考虑框架柱失效的反向弯矩。

e对发生撞击概率高的柱子相连的梁内增设贯通梁柱节点核心区的型钢，以改善柱子失效后梁弯矩反号承载力不足的问题。

参考文献：

[1]Faber M H.Maes M A，Straub D，et al.On the Quantification of Robustness of Structures.Safety and Reliability.2006：79-87

[2]叶列平，程光煜，陆新征，冯鹏.论结构抗震的鲁棒性[J].建筑结构，2008（06）：11-15.

[3]翟菁.钢框架结构抗连续倒塌分析若干问题探讨[D].青岛理工大学，2016.

[4]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5]JGJ99-2015高层民用建筑钢结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[6]CECS392：2014建筑结构抗倒塌设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010.

论文作者:马苏川

论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期

论文发表时间:2020/3/3

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