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1、译文为撤除两根相邻钢筋混凝土填充框架结构柱子的分析美国波士顿东北大学400snell工程研究中心 Mhhrdad Sasani摘要San Diego 酒店，一个六层钢筋混凝土填充框架结构，经过以下的评估后决定撤除两根相邻的外墙柱子。运用有限元法和应用元素法建立结构模型，并用这些模型去评估结构整体和局部的变形。用此模型的分析结果和实验数据有很好的一致性。撤除两根相邻的外墙柱子之后结构不会倒塌，并且最大垂直位移只有四分之一英寸约6.4mm。伴随着柱子的撤除，结构高度内的变形和动态荷载重分配的过程被试验和理性的分析到了，并被描述出来。但是关于纵横向波的分析，很多人提出了不同的观点。有填充墙的横向和纵
2、向三维整体框架被认为是结构荷载重新分配的主要影响因素。两个潜在的脆性模式的失败被预知它们是由于预加固和预应力钢筋被抽出而导致梁的断裂。导致结构变化的原因是重力荷载的增加和填充墙的缺少。关键词：倒塌，荷载重分布，承受荷载，动态分析，非线性分析，脆性破坏一、导言 为了减少由于结构的局部破坏而导致可能的大规模的伤亡，根底效劳部和国防部制定了法规以评估有可能倒塌的结构。ASCESEI 7是这样定义渐进倒塌结构的，即：由于局部的破坏逐渐开展到影响整个结构或者结构的很大一局部破坏的结构。以下介绍由Ellingwood 和Leyendecker 提出的方法。ASCESEI 7规定了两种建筑结构设计方法用以减
3、少由于结构倒塌而带来的损失。即：通过直接设计的方法和间接设计的方法。一般的建筑结构规定和标准运用间接设计方法即增加结构的一体性。间接设计方法也用于国防部。尽管间接设计方法能够减少结构倒塌的危险。但是对结构衰竭过程的评估是不容易做到的。通过研究瞬时撤除承重结构，例如柱子，是直接设计方法。它是用于评估危险建筑的一种途径。根底效劳部和国防部的法规要求撤除一个承重构件。这些规定是为了评估完整结构在受到严重破坏后荷载重新分配的能力。但在现实中一个小的初始破坏可能影响不止一个承重结构因此San Diego 酒店同时撤除两根外墙柱子在这项研究中利用试验数据证明模型分析数据。伴随着相邻两根柱子的爆破其中一根柱
4、子在角落逐渐的倒塌阻力是被估测的。为了爆破撤除柱子，炸药被安装在预先钻好的洞中。柱子被包装着数层防护材料。因此无论是空气冲击还是飞行的碎片都不会影响柱子本身。二、建筑特色San Diego 酒店建于1914年，而南辅楼建于1924年。辅楼包含两个独立的建筑。图1显示的是酒店的南立面图。值得注意的是图中第一和第三层布满黑色涂料。酒店的六层是非韧性钢筋混凝土框架结构，并用粘土空心砖填充外墙。辅楼的填充物中包含两层粘土砖，一共大约203mm。首层层高大约6m,标准层层高是3.2m ,顶层层高是5.1m，图2显示了辅楼的二层，图3显示了这座建筑的典型结构布置。这座建筑的改变是由于A2,A3两根柱子从首
5、层的撤除被撤除的柱子A2,A3在图3中标出。图1 San Diego酒店主楼南立面图图2 酒店二层结构布置南立面楼盖系统包括南北方向的次梁起作用。如图3所示。基于对两个混凝土试块样品的压缩试验，一个标准混凝土柱子的平均抗压强度约是32Mpa。一个标准的钢筋混凝土抗压强度约为263Mpa。此外通过对两种钢材样品的张力试验，它们的屈服极限和抗拉强度极限分别是427Mpa,600Mpa。钢材的极限拉伸应变是0.17。钢的弹性模量是200000Mpa。这座建筑预定要拆爆，在撤除的过程中填充墙从一，三层中撤除，一，三层中就没有活荷载。所有非结构构件包括隔墙，水暖管线，家具在爆破之前被移走只有梁 ，柱，楼
6、板和梁周围的填充墙被留了下来。三、传感器 混凝土和钢筋的应变仪用于测量梁柱的应变情况。线性电位器用于测量整体和局部的变形。混凝土应变仪测量范围是90 mm内最大应变是0.02。钢铁应变仪测量最大应变是0.02。这种应变仪可以运作采样十万赫兹频率的样品。该实验的频率是1000赫兹。线性电位器用于捕捉梁端区域和整体结构的位移，并述出来。电位器精确到0.01mm之内。并且最大运行速度是1ms,但是在实验室中最大记录速度是0.35ms。四、有限元模型由于采用限元方法，建筑的模型在计算机内得以开展。梁和柱被模型化为伯努利梁元素。梁由T型或L型。它们的有限宽度相当于楼板高度的四倍。塑性铰布置在所有钢筋可能
7、屈服的地方；例如构件边缘，钢筋被截断的地方，以及图3 酒店结构典型布置 一层撤除柱子被标出钢筋弯曲的地方。塑性铰的特点被包括在梁柱使用区内分析并且假定塑性铰的长度等同于构件高度的一半。现在SAP2000的版本不能跟踪构件的裂缝。为了找到适当的抗弯刚度的截面，一个迭代程序被应用了。首先，建筑被假定为所有构件均没有裂纹。我们目前的需求是找到分子相对开裂弯矩Mcr。如果弯矩超过Mcr，梁柱的抗力系数将减少0.35。梁由于正负弯矩过大而开裂的弯矩分别是58.2kn.m,37.9kn.m 。值得注意的是没有裂缝在柱子中形成。这时建筑结构被重新分析，图表被重新评估。这个过程一直反复进行直到获得该地区的正确
8、认识并将其模型化。建筑结构中的梁除了两端没有上部的钢筋。例如没有上部钢筋提供超越混凝土本身的抗弯能力的地方都发生了破坏。如图4，图5中梁端12英寸处产生了破坏。为了模型化这些没有上部钢筋部位的潜在损失，塑性铰产生的位置被分配到临界位置，那里没有上部钢筋。这些铰的弯曲强度等于Mcr 。这些地方当弯矩到达Mcr时将产生破坏。包括次梁的楼盖系统在南北纵向方向。图6显示了一个典型楼盖的断面图。为了防止潜在楼盖系统的非线性变化，楼盖中加了次梁，并且次梁被做成T型。 图4 二层中梁A3-B3，A1-A2和柱的配筋布置T型梁的有效高度是楼板厚度的四倍。考虑到轴线2和3之间的间距较大，两个宽20英寸的矩形梁被
9、安置在轴线2和3之间。这样模型就和实际的结构形似了。在梁板之间的剪切流是有区别的。正因为如此抗扭刚度设置为全部的一半。在2，4，5，6层的填充这些洞口门或者窗户。如先前所述作为撤除的步骤，在1，3两层的填充墙在测试之前被移走。处于良好状态的空心粘土砖是填充墙的材料。粘土砖的面积大约占墙体面积的一半。填充墙不仅影响结构的刚度和极限承载力，还影响结构在撤除两根柱子之后的反响。如果在模型中忽略了填充墙的作用将低估结构的刚度和强度。墙上有一些洞口门或者窗户。如先前所述作为撤除的步骤，在1，3两层的填充墙在测试之前被移走。处于良好状态的空心粘土砖是填充墙的材料。粘土砖的面积大约占墙体面积的一半。填充墙不
10、仅影响结构的刚度和极限承载力，还影响结构在撤除两根柱子之后的反响。如果在模型中忽略了填充墙的作用将低估结构的刚度和强度。利用SAP2000电脑程序，有两种关于填充墙的选择。模型A：填充墙认为是二维壳单元。模型B：填充物是FEMA356。4.1 模型A(填充物认为是模拟壳单元)填充物认为是模拟壳单元，然而目前版本的SAP2000电脑程序仅包括线形壳单元并且不能开裂。填充墙的抗拉强度被设置为26psi。弹性模量是38psi。由于裂缝形式对图5 梁上部的弯曲破坏填充墙的刚度有重要影响，以下迭代程序用来描述裂缝形式。1) 假设填充墙是线性的并且没有裂缝。2) 用非线性时程分析填充墙。由于在梁中存在塑性
11、铰，当超过开裂弯矩时梁的转动惯量将降低。3) 填充墙的开裂形式是在填充墙抗拉强度的分析过程中板壳结构中应力开展决定的。当拉应力超过抗拉强度时所有节点都将破坏。这些步骤将反复进行直到开裂区域被模型化。 图6 典型的楼板布置4.2模型B填充墙的材料是FEMA356。当柱子撤除之后，填充材料的方向将决定结构变形的形状。4.3 柱子撤除按照以下步骤柱子被同时撤除1) 在永久荷载下结构被分析，在被移去柱子的端部，内力被计算出来2) 模型是移去第一层柱子A2和A3。同样结构在永久荷载下被静态分析。在这种情况下，在被撤除柱子的两端首先发现由永久荷载产生的内力。注意这时分析的结果和步骤一相同。3) 轴力和剪力
12、在一毫秒内被动态的分配到柱子顶部，此时动态分析还在继续。4.4分析结果和试验结果的比拟最大计算垂直位移发生在A3的二层位置。图7显示了试验和分析柱子的最大位移。实验数据的获得是通过柱A3的上下两端的应变仪测得的。试验和分析图7 二层中柱A3的试验和分析的最大垂直位移的最大位移分别是6.1mm和6.4mm。它们相差约4%。试验和分析的相对最大位移发生的时间分别是0.069s和0.066s。分析结果显示永久位移约为5.3mm这个结果和试验数据相差14%。实验数据相对位移是6.1 mm 图8 由模型A,B分析二层柱A3的最大垂直位移和时间的关系 图8是二层柱A3通过模型A ,B分别分析的最大垂直位移时间的关系。如下图模型B导致A3的最大垂直位移约为11.4mm。这比模型A的数据大了80%。值得注意的是模型A的数据和试验数据相似。因此模型B高估了结构的变形。假设最大垂直位移变大，填充墙的裂缝将更严重，那是模型A,B的结果差异将变小。图9是二层柱A2的位移在试验和分析结果的差异。同样在第一个最大垂直位移发生时理论分析结果和试验数据相似。但是理论分析永久变形比实际测量小。
