第九講 拆除構(gòu)件法

1、專題二：結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)理論拆除構(gòu)件法西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院建筑工程系劉艷輝 副教授2016.5.16教 學(xué) 計(jì) 劃緒論部分第一周緒論專題一：基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論第二周基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論研究背景介紹第三周抗震設(shè)防水準(zhǔn)與性能水準(zhǔn)第四周Push-over分析方法第五周延性需求譜方法第六周機(jī)動(dòng)時(shí)間1專題二：連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)理論第七周連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)理論研究背景第八周連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法概述第九周設(shè)計(jì)方法1拉結(jié)構(gòu)件法第十周設(shè)計(jì)方法2拆除構(gòu)件法第十一周機(jī)動(dòng)時(shí)間2專題三：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)第十二周鋼-組合結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展第十三周混凝土本構(gòu)模型介紹第十四周試驗(yàn)研究第十五周試驗(yàn)影響因素分析第十六周機(jī)動(dòng)時(shí)間3總結(jié)部分

2、第十七周提交論文專題2：連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)理論1. 研究進(jìn)展2. 混凝土本構(gòu)模型3. 組合梁試驗(yàn)研究4. 試驗(yàn)影響因素分析及結(jié)論專題3：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)1. 理論背景2. 抗震設(shè)防水準(zhǔn)3. 性能水準(zhǔn)4. 設(shè)計(jì)方法專題1：基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論緒論1.什么是現(xiàn)代建筑？2.現(xiàn)代建筑面臨的問(wèn)題3.本課程的主要內(nèi)容4.教學(xué)計(jì)劃和考評(píng)關(guān)注重點(diǎn)：研究進(jìn)展、Push-over分析方法、延性需求譜、地震波選波問(wèn)題。關(guān)注重點(diǎn)：研究進(jìn)展，本構(gòu)關(guān)系，試驗(yàn)方法研究的主要步驟及細(xì)節(jié)問(wèn)題1. 理論背景2. 連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法概述3. 設(shè)計(jì)方法一4. 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法二方法二關(guān)注重點(diǎn)：研究進(jìn)展、倒塌判別標(biāo)準(zhǔn)研究、拆除構(gòu)件法今天講課內(nèi)

3、容 Content in todays lecturel什么是拆除構(gòu)件法（備用荷載路徑法）？l如何拆除關(guān)鍵構(gòu)件？l倒塌準(zhǔn)則l鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制l荷載組合l 汶川地震中的都江堰某三層框架填充墻結(jié)構(gòu)震害Project General Situation1 1棟棟3 3棟棟6 6棟棟1 11 1棟棟1 10 0棟棟4 4棟棟9 9棟棟1 1單單元元2 2單單元元3 3單單元元1 1單單元元2 2單單元元3 3單單元元4 4單單元元1 1單單元元2 2單單元元1 1單單元元2 2單單元元門(mén)門(mén)衛(wèi)衛(wèi)5 5棟棟3 3單單元元2 2單單元元1 1單單元元1 12 2棟棟路路3 3單單元元2 2單單元元

4、1 1單單元元6 6單單元元5 5單單元元4 4單單元元注：1.圖中填充斜線者為本文建筑所在位置2.1-4棟為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其余為 磚混結(jié)構(gòu)道道2 2棟棟l Wall-filled frame structure l 3 floorsl Legth 93.6m, width 16.8ml Story height of 13floor are 3.9m,3.6m,3.6ml Slope roofDamage of Wall-Filled Frame in Wenchuan Earthquake 圖1 結(jié)構(gòu)布置圖Fig1.Structure Layout of the First Floo

5、r注:這里將軸稱為段,將軸稱為段Noting: Here called the segment as ,called the segment as l 兩段結(jié)構(gòu)布置非常近似l 抗震縫兩層的破壞情況極為不同,一段倒塌,一段雖然發(fā)生框架屈服破壞，但整體結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生倒塌震害特點(diǎn)段震害 段震害 段一層框架柱破壞 段二層樓板落在地面上段一層框架柱錯(cuò)斷段窗間框架柱鋼筋屈服，混凝土剝落是是什么原因?qū)е聝蓚?cè)震害如此什么原因?qū)е聝蓚?cè)震害如此不同？不同？設(shè)計(jì)原因？施工原因？場(chǎng)地原因？是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范？?jī)蓚?cè)結(jié)構(gòu)差異是否很大？同一設(shè)計(jì)單位同一施工單位在同一場(chǎng)地上材料強(qiáng)度滿足？表1 、段結(jié)構(gòu)平面布置比較結(jié)構(gòu)平面布置異同

6、點(diǎn)一層（標(biāo)高3.900）二層（標(biāo)高7.500）相同點(diǎn)：相應(yīng)位置框架柱配筋完全相同，橫向跨度方向配筋梁完全相同，縱向跨度方向框架梁配筋近似；不同點(diǎn)：縱向跨度有差別，段右上角（見(jiàn)圖1）為衛(wèi)生間，樓板為現(xiàn)澆板，計(jì)算荷載稍有增大三層（標(biāo)高11.100）相同點(diǎn)：同上不同點(diǎn)：段13軸AF軸、46軸AF軸范圍內(nèi)無(wú)樓板，僅有框架梁，樓板開(kāi)洞比率為65%，其余部分鋼筋混凝土現(xiàn)澆板；段811軸AF軸、1214軸AF軸范圍內(nèi)無(wú)樓板，僅有框架梁樓板開(kāi)洞比率為82.8%，其余部分為鋼筋混凝土現(xiàn)澆板四層（坡屋頂，標(biāo)高11.90015.170）相同點(diǎn)：同上不同點(diǎn)：段13軸AF軸、46軸AF軸范圍內(nèi)存在坡屋頂，坡屋頂投影面積

7、524.16m2；段811軸AF軸、1214軸AF軸范圍內(nèi)存在坡屋頂，坡屋頂投影面積629.50m2 兩側(cè)結(jié)構(gòu)非常兩側(cè)結(jié)構(gòu)非常類似類似結(jié)構(gòu)彈塑性階段的計(jì)算分析由于結(jié)構(gòu)被沉降縫分為兩個(gè)部分，因此，在進(jìn)行Y（AF軸方向）方向Pushover分析時(shí)，將結(jié)構(gòu)分為、兩個(gè)部分分別進(jìn)行。計(jì)算結(jié)果如下：表2 在罕遇地震下的層間位移角設(shè)防烈度場(chǎng)地類別/設(shè)計(jì)分組結(jié)構(gòu)的最大層間位移角段段7度類，第1設(shè)計(jì)分組1/1781/1638度類，第1設(shè)計(jì)分組1/731/71類，第2設(shè)計(jì)分組1/621/61 填充墻布置表3 填充墻布置概況層數(shù)使用功能填充墻位置填充墻材料段1商鋪，酒店大廳2、3、6軸上， 4、5軸的CD軸間黏土空

8、心磚，6孔2酒店客房加氣混凝土砌塊進(jìn)行房間分割，砌塊厚度約10厘米，非常輕，沿框架柱及圍護(hù)墻體貼砌，無(wú)采用構(gòu)造聯(lián)結(jié)3酒店客房段1商鋪無(wú)2洗浴中心基本無(wú)填充墻3茶樓基本無(wú)填充墻段1層填充墻布置(填充紅色者)及相應(yīng)震害情況段2.3層填充墻布置(填充綠色者)4、5軸柱,破壞處混凝土剝落，縱向鋼筋屈服，應(yīng)該失去了豎向承載能力，至少是絕大部分豎向承載能力，但結(jié)構(gòu)并未因此而倒塌，與之連接的填充墻承擔(dān)了豎向力?？蚣苤黄茐暮?，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，填充墻也不可避免地承擔(dān)了豎向力。研究結(jié)論1段一層填充墻與地震作用方向大致成45度夾角，地震力未全部作用在橫向框架上，填充墻破壞程度較輕。1 1棟棟3 3棟棟6 6棟棟1

9、 11 1棟棟1 10 0棟棟4 4棟棟9 9棟棟1 1單單元元2 2單單元元3 3單單元元1 1單單元元2 2單單元元3 3單單元元4 4單單元元1 1單單元元2 2單單元元1 1單單元元2 2單單元元門(mén)門(mén)衛(wèi)衛(wèi)5 5棟棟3 3單單元元2 2單單元元1 1單單元元1 12 2棟棟路路3 3單單元元2 2單單元元1 1單單元元6 6單單元元5 5單單元元4 4單單元元注：1.圖中填充斜線者為本文建筑所在位置2.1-4棟為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其余為 磚混結(jié)構(gòu)道道2 2棟棟汶川地震波主要作用方向 研究結(jié)論2與地震作用主方向垂直的墻體，有抗倒塌作用強(qiáng)調(diào)：一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)計(jì)算模型整個(gè)完好結(jié)

10、構(gòu)部分構(gòu)件失效退出工作后，剩余結(jié)構(gòu)荷載類型永久荷載與作用可變荷載與作用偶然荷載與作用設(shè)計(jì)目標(biāo)保證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有足夠的安全度,也即失效概率足夠小容許結(jié)構(gòu)局部發(fā)生嚴(yán)重破壞和失效未破壞的剩余結(jié)構(gòu)能有效承受因局部破壞后發(fā)生的荷載和內(nèi)力重分布,不至于短時(shí)間內(nèi)造成結(jié)構(gòu)的破壞范圍迅速擴(kuò)散而導(dǎo)致大范圍、甚至整個(gè)結(jié)構(gòu)的坍塌。l 概念設(shè)計(jì)法以定性設(shè)計(jì)為主，其中有些定性設(shè)計(jì)通過(guò)定量設(shè)計(jì)予以實(shí)現(xiàn)l 拉結(jié)構(gòu)件法設(shè)置豎向、水平通長(zhǎng)鋼筋，并采取有效的連接錨固措施，將結(jié)構(gòu)連成一個(gè)整體。l 拆除構(gòu)件法最常用設(shè)計(jì)方法，美國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)稱為AP法（Alternate Path Method).首先從結(jié)構(gòu)模型中移除按一定規(guī)則選定的一根

11、受力構(gòu)件，模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件瞬間失效，然后對(duì)剩余結(jié)構(gòu)在規(guī)定的荷載作用下進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，由剩余結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和變形，根據(jù)規(guī)定的接受準(zhǔn)則，評(píng)定是否導(dǎo)致其它構(gòu)件失效。l 局部加強(qiáng)法0 上節(jié)回顧1 什么是拆除構(gòu)件法？也叫備用荷載路徑法(Alternate Path Method，AP)，即將結(jié)構(gòu)中的部分構(gòu)件拆除，模擬結(jié)構(gòu)的初始破壞，通過(guò)有限元法分析結(jié)構(gòu)中部分構(gòu)件拆除后剩余結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形，判斷結(jié)構(gòu)是否會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌。如果結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌，則通過(guò)增強(qiáng)拆除后的剩余構(gòu)件來(lái)避免連續(xù)倒塌，這種方法的實(shí)質(zhì)是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的冗余度，提供有效的備用傳力路徑 。l 英國(guó)規(guī)范（ODPM, 2004; BSI, 2002）l 歐洲規(guī)范（

12、CEN, 2004; CEN, 2006）l 美國(guó)規(guī)范（ASCE, 2005；ACI, 2008）l 美國(guó)還制定了專門(mén)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范（GSA, 2003；Do D, 2010），相對(duì)于通用規(guī)范（如英國(guó)規(guī)范、歐洲規(guī)范）的原則性規(guī)定，專門(mén)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)目標(biāo)、計(jì)算分析方法和結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求等進(jìn)行了更詳細(xì)的規(guī)定。 l 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 JGJ3-2010（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 2010）l 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50010-2010（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 2010）僅涉及簡(jiǎn)單的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)原則和基本設(shè)計(jì)要求。l 專門(mén)規(guī)范：建筑結(jié)構(gòu)倒塌設(shè)計(jì)規(guī)

13、范（CECS392:2014）（中國(guó)計(jì)劃出版社，2014年） 21規(guī)定了比較詳細(xì)的流程和設(shè)計(jì)參數(shù)，可操作性強(qiáng)；僅要求采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，但并沒(méi)有規(guī)定具體操作流程和參數(shù)；表示沒(méi)有采用該方法。應(yīng)用范圍：拆除構(gòu)件法應(yīng)用于以下兩種情況：1）如果結(jié)構(gòu)構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的豎向拉結(jié)強(qiáng)度不足，設(shè)計(jì)者可采用拆除構(gòu)件法設(shè)計(jì)，使得該構(gòu)件破壞后結(jié)構(gòu)能跨越該構(gòu)件而不坍塌。2）對(duì)于中、高安全等級(jí)的，應(yīng)采用拆除構(gòu)件法。2 如何拆除構(gòu)件？2.1 針對(duì)確定的偶然荷載2.2 針對(duì)不確定的偶然荷載2.1 針對(duì)確定的偶然荷載正線列車脫軌撞擊下雨棚整體性分析(a) 雨棚一(b) 雨棚二目的：確定正線列車脫軌撞擊時(shí)結(jié)構(gòu)柱的破壞根數(shù)雨棚柱直徑（m

14、m）柱間距（m）15182124273033600撞擊根數(shù)3333222撞斷根數(shù)2222222700撞擊根數(shù)3332222撞斷根數(shù)2222221800撞擊根數(shù)3322222撞斷根數(shù)2222111900撞擊根數(shù)2222222撞斷根數(shù)1111111950撞擊根數(shù)2222222撞斷根數(shù)1111111雨棚柱正撞拆除根數(shù)小結(jié)：（1）拆除兩根柱時(shí)，雨棚結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌。（2）邊柱失效對(duì)雨棚抗連續(xù)倒塌性能影響大于中柱。（3）平面張弦梁結(jié)構(gòu)應(yīng)減小各榀張弦梁間距，加強(qiáng)平面外縱向聯(lián)系：應(yīng)提高屋面檁條的拉結(jié)作用，檁條與上弦梁的連接宜為固結(jié)連接方式。2.2 針對(duì)不確定的偶然荷載l GSA2003（GSA, 200

15、3）規(guī)定僅拆除底層典型部位的框架柱，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的柱不作要求；l Do D2010（Do D, 2010）對(duì)內(nèi)部柱僅要求拆除位于底層的即可，對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部柱不作拆除要求，其他典型部位的框架柱 Do D2010 均要求拆除分析。這種規(guī)定原因是：結(jié)構(gòu)的地下停車場(chǎng)、首層結(jié)構(gòu)易遭受炸彈襲擊而失效；上部結(jié)構(gòu)的外圍易遭受飛行物撞擊和燃?xì)獗ǖ淖饔枚?。?）外圍柱的拆除至少應(yīng)該拆除一根外圍柱的位置包括：結(jié)構(gòu)短邊中間處、長(zhǎng)邊中間處和角部另外還包括建筑物幾何尺寸發(fā)生明顯變化處，如跨度突變處、凹角處、相鄰柱所承受的荷載較輕處、開(kāi)間具有不同尺寸處以及方向和立面不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件僅針對(duì)框架和平板結(jié)構(gòu)（2）內(nèi)部柱的拆

16、除對(duì)于結(jié)構(gòu)的地下停車場(chǎng)和首層難以進(jìn)行安全控制的區(qū)域，拆除結(jié)構(gòu)短邊中間處、長(zhǎng)邊中間處和無(wú)法控制區(qū)域角部的內(nèi)部柱。設(shè)計(jì)者根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷其他還須拆除的位于無(wú)法進(jìn)行安全控制的公共區(qū)域的柱。對(duì)于每個(gè)規(guī)定的拆除位置，只對(duì)地下停車場(chǎng)和首層進(jìn)行AP 分析，而無(wú)需對(duì)結(jié)構(gòu)的其他樓層進(jìn)行分析。（3）保證節(jié)點(diǎn)的水平連續(xù)性（4）外圍承重墻的拆除結(jié)構(gòu)短邊中間處、長(zhǎng)邊中間處和角部另外還包括建筑物幾何尺寸發(fā)生明顯變化處，如跨度突變處、凹角處、相鄰柱所承受的荷載較輕處、開(kāi)間具有不同尺寸處以及方向和立面不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（5）內(nèi)部承重墻的拆除對(duì)于結(jié)構(gòu)的地下停車場(chǎng)和首層難以進(jìn)行安全控制的區(qū)域（6）拆除承重墻的長(zhǎng)度 對(duì)于建筑物非角段

17、區(qū)域取兩倍墻高，但不應(yīng)小于開(kāi)間寬度。 對(duì)建筑物角部?jī)蓚€(gè)方向分別取一倍墻高，且不小于開(kāi)間寬度。 對(duì)于不是承重墻但與內(nèi)部承重墻交接的外圍墻段，每個(gè)方向分別取一倍墻高，且不小于開(kāi)間寬度。 對(duì)于外圍墻不是承重墻但與內(nèi)承重墻相交的位置，外圍墻的拆除長(zhǎng)度等于一倍墻高。3 連續(xù)倒塌判斷準(zhǔn)則 l GSA2003（GSA, 2003）和 Do D2005（Do D, 2005）規(guī)定，預(yù)設(shè)構(gòu)件拆除后，即結(jié)構(gòu)發(fā)生初始破壞后，容許剩余結(jié)構(gòu)發(fā)生后繼破壞，從后繼倒塌的范圍（包括絕對(duì)面積和相對(duì)面積兩個(gè)指標(biāo)）來(lái)判斷結(jié)構(gòu)是否滿足抗連續(xù)倒塌要求。這種判斷準(zhǔn)則在理論上符合連續(xù)性倒塌定義，但是結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌過(guò)程中存在破壞、碰撞、堆載

18、等一系列復(fù)雜力學(xué)行為，故實(shí)際操作難度較大。l Do D2010修改了 Do D2005 規(guī)定，嚴(yán)格限制任何結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生后繼破壞（Do D, 2010），即某構(gòu)件發(fā)生初始破壞后，剩余結(jié)構(gòu)不能出現(xiàn)超過(guò)構(gòu)件變形能力極限的塑性變形，但是這種嚴(yán)格的規(guī)定在工程界還存在爭(zhēng)議。l 結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌失效準(zhǔn)則定義為梁兩端的相對(duì)位移達(dá)到跨度的 1/5。（1）外圍柱/承重墻 對(duì)于外圍墻/柱的拆除，破壞范圍限制要求為，直接位于拆除構(gòu)件上部的樓板的坍塌面積不得大于70m2（和15%樓板總面積的較小值，且直接額外位于拆除構(gòu)件下方的樓板不能倒塌。另外任何與拆除構(gòu)件無(wú)直接相連的結(jié)構(gòu)部分都不應(yīng)坍塌。(2)對(duì)于內(nèi)部柱/承重墻拆除對(duì)于

19、內(nèi)部墻/柱的拆除，破壞范圍限制要求為，直接位于拆除構(gòu)件上部的樓板的坍塌面積不得大于140m2和30%樓板總面積的較小值，且直接位于拆除構(gòu)件下方的樓板不能倒塌。另外任何與拆除構(gòu)件無(wú)直接相連的結(jié)構(gòu)部分都不應(yīng)坍塌。絕對(duì)面積和相對(duì)面積兩個(gè)指標(biāo)水平構(gòu)件拉結(jié)設(shè)計(jì)的懸索機(jī)制和梁機(jī)制4 抗連續(xù)倒塌機(jī)制針對(duì)普通鋼筋混凝土框架梁機(jī)制：在小變形范圍內(nèi)（結(jié)點(diǎn)位移小于跨度的十分之一），失去支撐的框架梁可以通過(guò)其抗彎承載力提供抗連續(xù)倒塌能力；懸鏈線機(jī)制：在大變形范圍內(nèi)（結(jié)點(diǎn)位移大于跨度的十分之一），失去支撐并貫通結(jié)點(diǎn)的框架梁可以通過(guò)其抗拉承載力提供抗連續(xù)倒塌能力。對(duì)于矩形軸網(wǎng)布置的典型 RC框架結(jié)構(gòu)： (1) 邊緣柱破壞時(shí)，在小變形范圍內(nèi)，兩個(gè)方向的框架梁以梁機(jī)制提供抗連續(xù)倒塌能力，在大