"连续倒塌风险评估与钢框架结构柱屈曲的非线性动力校准模型研究"

PDF格式 | 2.09MB | 更新于2025-01-16 | 125 浏览量 | 举报

工程科学与技术，国际期刊

（

2022

）

101193

考虑柱屈曲的钢框架结构连续倒塌风险

Hussein Elsanadedy

，

，Halil Sezen

，Husain Abbas

，Tarek Almusallam

，Yousef Al-Salloum

沙特国王大学工程学院土木工程系结构加固和修复研究讲座，利雅得

11421

，

沙特阿拉伯

美国俄亥俄州哥伦布市俄亥俄州立大学土木与环境工程及大地测量科学系

阿提奇莱因福奥

文章历史记录：

2021

年

月

日收到

2022

年

月

日修订

2022

年

月

日接受

2022年6月11日在线提供

关键词：

连续倒塌钢

结构建筑柱屈曲

NLD

分析

LS分析

A B S T R A C T

钢结构建筑物通常容易受到连续倒塌的风险，如果一个或几个承载构件在极端事件中丢失，如爆炸，冲击或火

灾。因此，研究和借鉴既有钢结构建筑的连续倒塌性能，是避免钢结构连续倒塌的重要措施。俄亥俄联盟大楼

是俄亥俄州立大学校园内的一座多层钢框架建筑，在其演示之前，由一位共同作者在连续拆除位于第一层的四

根柱子的情况下进行了连续倒塌评估。本研究的目的是对考虑柱屈曲的建筑物进行非线性动力校准的有限元

（FE）模型，然后扩展到包含更多的假设顺序和同时列损失的情况。2003年GSA（总务管理局）指南也被应

用，作为采用GSA准则中简化的LS（线性静力）分析方法对该建筑物进行连续倒塌风险评估，并将评估结果与

试验观测值和NLD分析结果进行比较。新的动态增加系数（DIF）建议用于LS分析中使用的力和变形控制动作

BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。

介绍

事实上，当主要竖向承载元件失效导致剩余结构过度加载，其边界

条件随之发生显著变化，并对邻近失效构件的元件产生大量需求时，就

会发生连续倒塌。当载荷重新分布时，元件的失效可能会传播。这一过

程可以持续到结构恢复平衡。现有建筑物的实际连续倒塌事故实例包

括：a）1968年英国罗南角大楼的气体爆炸[1，2]，b）1995年美国默拉

联邦大楼的爆炸[3]，以及c）2001年美国世界贸易中心的倒塌[4

交替荷载路径法已在各种规范中采用，例如：[8，9]，由于突发事件

造成的损害的量化

通讯作者。

电子邮件地址：

helsanadedy@ksu.edu.sa（H. Elsanadedy）。

由Karabuk大学负责进行同行审查

在埃及开罗赫勒万大学休假

在极端荷载情况下的柱损失。然而，采用这些程序得到的结构分析结

果是不同的。

Marjanishvili和Agnew[10]采用SAP2000软件，通过非线性动力

（NLD）、线性动力（LD）、非线性静态（NLS）和线性静态（LS）

分析对多层建筑物的连续倒塌进行建模。Fu[11]使用NLD方法对一栋20

层建筑进行了数值研究，得出的结论是，应设计与同一楼层中的丢失柱

直接相连的柱轴向荷载为2（D + 0.25L），其中D和L分别为恒载和

活载。在另一项研究中，Khandelwal等人[12]使用交替荷载路径法对抗

震设计的10层钢支撑建筑物的连续倒塌风险进行了数值评估。利用离散

弹簧和梁柱的二维宏模型预测结构响应。Powel[13]比较了不同的分析

程序，并得出结论，在静态分析中采用动态增加因子（DIF）2是保守

的。Tsai和Lin[14]报道了用于连续倒塌模拟

https://doi.org/10.1016/j.jestch.2022.101193

出版社：

Elsevier B.V.

这是一篇基于

CC BY-NC-ND

许可证的开放获取文章（

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

）。

可在ScienceDirect上获得目录列表

工程科学与技术国际期刊

杂志主页：

www.elsevier.com/locate/jestch

H. Elsanadedy
，
H. Sezen
，
H. Abbas
等
人
工程科学与技术，国际期刊
35
（
2022
）
101193
2
在RC（钢筋混凝土）建筑中，比NLD分析更保守。一个简化的方法是由
Vlanshan等人提出的
[15]
伊苏丁等人，
[16]
使用
NLS
方法评估钢框架的连续
Naji
和
Irani[17]
提出了另一种简化方法，使用固定梁的荷载
-
位移和承载力曲线预测钢
框架建筑物的
Elsanad- edy
等人
[18]
进行了有限元建模，以研究现有
钢框架建筑由于不同爆炸场景而逐渐倒塌利用爆炸荷载作用下钢管的
试验结果对模型进行了验证
Talebi
等人
[19]
在结构框架中使用不同截
面的屈曲约束支撑系统（
BRB
），以减轻其在不同火灾场景下的渐进
倒塌。当使用防屈曲支撑时，结果揭示了更高的刚度、行为的对称性
以及在没有支撑屈曲的情况下将荷载重新分配到相邻元件在提高倒塌
温度方面的作用在后来的研究
[20]
中，作者研究了倒
V
型防屈曲支撑系
统对
4
层钢框架结构在火灾引起的柱损失下连续倒塌的影响结果表明，
由于防屈曲支撑提供了更高的刚度，此外，与普通同心支撑体系相
比，防屈曲支撑框架具有更高的抗连续倒塌能力作为一种替代方案，
Alrubaidi
等人对钢框架结构中不同的连接加固方案进行了试验和数值
模拟。
[21].
这些计划成功地减轻了
在很大程度上降低了钢框架连续倒塌的风险
Shan和Li[22]数值研究了不同火灾情况下钢框架的连续倒塌行为。
框架有部分填充墙。分析表明，更高等级的钢，更多的数量和更少的墙
壁开口提高了温度，从而导致倒塌。作者采用等效压杆模型提出了一种
降低火灾引起的连续倒塌风险的设计方法。郭 等人[23]通过实验研究
了9个梁柱组合的连续倒塌，这些梁柱组合具有焊接的未加固翼缘-螺栓
腹板（WUF-B）连接，在火灾暴露引发的柱损失事件下。将测试结果
与在环境温度下测试的对照样本进行比较。 悬链线机制被观察到的位
移超过其最大值的一半。与对照样本相比，火灾暴露框架
Hadidi
等人
[24]
澄清了仅根据
AISC-LRFD[25]
抗震要求设计的钢
框架建筑物容易发生
2002 UFC
要求
[8]
的连续倒塌。
Chen
等人
[26]
利用 能量原理研 究了 钢框架 建筑 物的 连续 倒 塌鲁 棒性 。
Zoghi
和
Mirtaheri[27]
进行了
NLD
分析，以评估考虑填充墙影响的抗震设计
钢框架建筑的连续倒塌潜力。结果表明，模拟钢筋混凝土板以及填充
墙可以提高稳定性和悬链线的建设行动。
Qiao
等人
[28]
提出了一种简
化的方法，通过将钢框架建筑物理想化为单层下部结构来研究其抗连
续倒塌能力。
Naji[29]
提出了一种简单的方法来评估由于中间柱损失
事件导致的钢梁柱组件的连续倒塌风险。所开发的方法考虑了梁的跨
高比对组件的连续倒塌性能的影响。在
Ebrahimi
等人
[30]
的一项研
究中，开发了有限元模型来估计柱损失情况下
6
层钢框架建筑物两个
升级方案的柱去除方案进行了研究。它们涉及到支架和缆绳的使用。
研究表明，使用支撑构件和拉索可以大大提高
减小在移除柱位置处的梁位移。
Alrubaidi
等人
[31]
通过实验和数值
计算研究了柱拆除情况下常规使用的中间抗弯钢框架连接件的抗连续
倒塌性能。在所有研究的连接中，根据土耳其地震规范
[32]
设计的连
接具有最高的抗连续倒塌性。
Rodríguez
等人
[33]
介绍了钢抗弯框架
渐进式倒塌潜力的敏感性和脆弱性分析结果龙卷风图的推导来量化的
敏感性的渐进式崩溃的设计参数，和脆弱性模型被开发用于评估失败
的概率作为一个指定的强度措施的函数研究结果揭示了随机变量
/
研
究参数对钢框架抗弯建筑物的脆性
/
连续性倒塌潜力的影响最近，
Elsanadedy
等人
[34]
通过实验和数值方法研究了柱拆除事件下不同
类型的简单剪切钢梁柱连接的连续倒塌风险结果表明，采用双角钢和
螺栓连接的腹板楔板结构的抗连续倒塌能力最高为了评估抗震设计准
则对连续倒塌减缓的适用性，进行了大量的数值和试验研究，涉及的
结构构件很少。然而，在系统一级验证研究结果的实验性调查很少，
这主要是因为进行这种研究费用很第二作者
[35-37]
对现有钢框架建
筑进行的现场试验包括顺序拆除第一层的四根
Song
和
Sezen[35]
在俄
亥俄州立大学校园内建于
1950
年的五层（
B + 4
）俄亥俄联盟大楼上
进行了
Song
等人
[36]
在伊利诺伊州诺斯布鲁克的
3
层建筑上进行了测
试在对这些建筑物进行现场测试期间，没有活荷载或活荷载非常有
限。这些现场测试的结果表明，即使在失去四个周边柱后，钢框架建
筑物仍然是安全的，这突出了坚固的
-
这些建筑物。
在本研究中，对由Song和Sezen[35]测试的Ohio Union钢结构建筑
进行了考虑柱屈曲的NLD分析，以数值评估其渐进倒塌的可能性，然后
将其与测试观察结果进行比较。经校准的 然后进一步扩展FE模型，以
纳入更多假设的连续和同时柱损失情景。此外，2003年GSA指南[9]中
的简化LS分析方法用于俄亥俄州联合大楼的连续倒塌评估，然后将结果
与试验观测和NLD分析进行比较。
2.
建筑表现
图
1
所示为第二作者
[35]
早先进行的进行性倒塌评估测试的五层抗
弯矩框架俄亥俄联盟大楼。这座建筑有一个长方形的脚印，有九行，
每行三列
.
表
1
总结了梁和柱中使用的截面 图图
2
描述了纵向框架立面
图和底层框架平面图
[38]
。表
1
中列出的钢截面列表显示了
20
世纪
50
年代建筑施工期间常见的
I
形梁
[39]
。该建筑物老旧且已停止使用，
计划将其拆除，但在拆除之前，该建筑物用于连续倒塌研究，方法是
按图
1
所示顺序连续拆除第一层的四根柱子。色谱柱去除的持续时间
保持较短，以代表
GSA
设计指南
[9]
的瞬时色谱柱去除要求。应当指
出，在此之前

H. Elsanadedy

，

H. Sezen

，

H. Abbas

等

人

工程科学与技术，国际期刊

（

2022

）

101193

Fig. 1. 俄亥俄州联盟大楼拆除后，四个一楼的列。

表1

俄亥俄州联盟大楼的成员区

C6 WF10×54 B6 B14 × 17.2

C7 WF10×112 B7 B14 × 22

C8 WF10×60 B8 WF24 × 76

C9 WF10×33 B9 WF10 × 21

移除柱子后，几乎所有的荷载，包括活荷载和内部隔墙，都被从楼层上

移除，建筑物只承受所有结构构件的自重加上外部非结构砌体墙的重

量。尽管一楼的四根柱子被拆除，但建筑物并没有倒塌，如图1所示。

建筑物、现场测试程序、记录的观察结果和测试测量的全部细节在

Song[38]中给出。

柱屈曲

如图

所示，使用商用有限元软件包

LS-DYNA[40]

为单个钢柱开

发了局部有限元模型，以计算其临界屈曲载荷。在该模型中，

节点

Hughes-Liu

梁单元

具有钢梁单元采用的本构模型为

LS-DYNA

软件

材料模型库中的

型

[40]

。这是一个分段线性塑性模型，其中可以定

义具有任意应力

应变曲线和任意应变率依赖性的弹塑性材料在这个

模型中，通过定义切线模量，应力

应变行为可以用双线性曲线来处理（见

图

）。

），或者可替代地，可以定义有效应力与有效塑性应变的

曲线。该材料模型中的失效由有效塑性应变控制。在这项研究中，

一个双线性的根据

Marques

等人的建议，在柱中间高度处考虑

L/1000

的初始缺陷

[41]

，其中

是柱高。如图

所示，通过指定在顶

部节点上的规定位移

时间历史曲线，将位移控制荷载施加到柱上从

图中可以看出，在顶部节点上总共施加了

100 mm

的目标向下位移

（在负

方向上），

持续

100 s

（位移增加速率

= 1 mm/s

）。运行分析直至色谱柱失效。

产生柱的轴向载荷与中间高度侧向位移，然后确定屈曲载荷。利用文

献中发表的纯轴压下钢柱失稳的数据对如表

所示，共使用

个色谱

柱进行模型验证。这些微柱包括

Rasmussen

和

Hancock[42]

检测的

两个样本和

等人检测的五个微柱

[43]

第

段。所有

根柱的试验和

数值结果列于表

中，表

显示了预测屈曲载荷的准确性，误差范围

为

0.6%

至

5.8%

。

经验证的局部有限元模型用于计算俄亥俄联合大楼地下室柱

至

的屈曲荷载，如表

所示。值得注意的是，柱被分成尺寸为

250

的梁单元作为案例研究，对

柱进行了网格敏感性研究另外两

个模型是为

柱建立的，第二个和第三个模型中的单元尺寸分别为

125 mm

和

50 mm

结果表明，当网格尺寸从

250 mm

减小到

50 mm

时，柱

的屈曲载荷仅增加

。因此，决定在所有列中使用

250

的网格尺寸，以便具有具有合理数量的单元的全局建筑模型，从

而减少计算时间。除了局部有限元模型外，

ANSI/AISC 360-16[25]

中的公式还用于计算柱

至

的屈曲载荷，其比有限元模型预测的

屈曲载荷小

13%

至

20%

。这是因为

ANSI/AISC 360-16[25]

中的公式

包含了柱强度曲线的近似值，该曲线提供了弹性屈曲和屈服之间的过

渡。此外，

ANSI/AISC 360-16[25]

中的公式采用了安全系数，以说

明钢柱的意外偏心和初始缺陷。五个地下室柱

至

的轴向荷载与

中间高度侧向位移的关系如图所示。根据图

，每条曲线的最大载荷

描述了表

中确定的临界屈曲载荷。

建筑物的

NLD

有限元模型

使用 LS-DYNA 软件包 [40] 对俄亥俄联盟大楼进行非线性动态

（NLD）有限元建模。有限元模型是在FEMB Pre-Processor 28.0的帮

助下开发

4.1.

有限元离散

图7显示了整个建筑物的有限元模型，其中使用了梁和壳单元。所有

柱和梁均采用2节点Hughes-Liu梁单元。采用Belytschko-Tsay公式[44]

的四节点四边形壳单元对RC楼板进行建模。全局模型共有94，803个单

元（35，523个梁单元和59，280个壳单元）。应该注意的是，为了不

显著增加求解时间，外部砌体墙未实际包含在模型中;但是，计算了其重

量，并将其作为外部钢梁上的线荷载输入。基于根据现有资料，俄亥

俄联合大楼的梁柱节点采用焊接无筋翼缘（WUF）弯矩连接。假定它

们比连接构件（梁和柱）具有更高的承载力和延性，并假定梁和柱的失

效发生在连接失效之前。因此，连接被假定为完全刚性的，并且它们没

有被明确地建模。这种解释可能是有效的，因为研究的主要目标是关注

建筑物的整体行为，而不是梁柱连接的微观性能。

列

色谱柱

波束ID

梁秒

公司简介

B24 ×74

B20 ×68

B16 ×58

公司简介

剩余14页未读，继续阅读

cpongm

粉丝: 6

"连续倒塌风险评估与钢框架结构柱屈曲的非线性动力校准模型研究"

基于ANSYS的K6球面网壳非线性屈曲特性研究

钢筋混凝土框架抗连续倒塌机制研究

格构式钢拱的连续倒塌分析

unity3d 模型倒塌变形

建筑结构抗倒塌设计标准

unity 房子倒塌效果

unity 坍塌差生灰尘效果

搜索江苏大丰海上风电场风机倒塌事故并跳转到信息所在网页

写一个程序根据从键盘输入的里氏强度显示地震的后果。根据里氏强度地震的后果如下：里氏强度 后果小于4 很小4.0到4.9窗户晃动5.0到5.9墙倒塌；不结实的建筑物被破坏6.0到6.9 烟囱倒塌；普通建

最新资源

写一个程序根据从键盘输入的里氏强度显示地震的后果。根据里氏强度地震的后果如下：里氏强度后果小于4 很小4.0到4.9窗户晃动5.0到5.9墙倒塌；不结实的建筑物被破坏6.0到6.9 烟囱倒塌；普通建