西安交大科研团队 在钢筋混凝土平面框架连续倒塌研究中取得重要进展

框架结构局部构件的失效会使既有荷载向邻近构件上传递，若相邻构件无法满足承载需求则会发生接连失效，致使框架结构产生与初始破坏不相称的大规模连续倒塌。连续倒塌具有显著的突发性、不确定性、强破坏性等特点，严重影响着框架结构的正常使用和居民的生命财产安全。既有研究在评估钢筋混凝土平面框架的抗连续倒塌性能时，均将边柱的侧向约束条件简化为固定约束，不考虑边柱在倒塌过程中的水平向受力和变形，仅分析钢筋混凝土平面框架的竖向连续倒塌行为。然而边柱在倒塌过程中会承受显著的水平向荷载，边柱侧向约束的不足会导致平面框架的连续倒塌方向由竖向朝水平向转移，即钢筋混凝土平面框架发生水平-竖向混合连续倒塌。就危害性而言，与竖向连续倒塌相比，水平-竖向混合连续倒塌在框架结构中涉及的区域更广，灾害性更加严重；就倒塌抗力而言，与竖向连续倒塌相比，水平-竖向混合连续倒塌会限制钢筋混凝土平面框架抗力峰值的发展，钢筋混凝土平面框架的倒塌抗力峰值会明显低于竖向倒塌，然而目前仍缺乏钢筋混凝土平面框架水平-竖向混合连续倒塌行为和抗倒塌性能的相关研究。

为解决上述问题，西安交通大学侯健教授团队采用新型卧式加载装置和边柱侧向约束装置开展了钢筋混凝土平面框架的连续倒塌试验和有限元分析。首先在试验研究中分别给边柱设置固定和自由两种侧向约束条件，对比钢筋混凝土平面框架在水平-竖向混合连续倒塌和竖向连续倒塌两种工况下的倒塌抗力、破坏模式和钢筋应变发展规律等。然后根据失效中柱在框架结构中所处的位置，考虑与边柱相邻的框架布置对边柱的侧向约束作用，采用有限元方法分析了相邻框架的跨数布置对钢筋混凝土平面框架倒塌抗力的影响。最后结合试验中的两组极端约束工况和有限元分析中的其他约束工况，拟合了钢筋混凝土平面框架的峰值抗力放大系数随相邻框架跨数的变化规律。结果表明，钢筋混凝土平面框架在自由侧向约束条件下水平-竖向混合连续倒塌的抗力峰值仅为竖向连续倒塌的0.28倍；与竖向连续倒塌相比，钢筋混凝土平面框架在水平-竖向混合连续倒塌工况下的最终破坏位置由中间梁-柱节点转移到了边柱；随双边相邻框架跨数的增加，边柱所受到的侧向约束作用从自由约束逐渐转变为固定约束，钢筋混凝土平面框架的倒塌行为由水平-竖向混合连续倒塌逐渐转变为竖向连续倒塌，其倒塌抗力峰值呈非线性增长，且增长速率逐渐减小；本研究所提出的峰值抗力放大系数的变化规律与试验和有限元分析结果保持一致，可为钢筋混凝土平面框架的防倒塌设计和性能评估提供有效参考。

新型加载及约束装置

水平-竖向混合倒塌试件破坏模式

侧向约束对倒塌抗力的影响

有限元模型

相邻跨数对双边约束框架倒塌抗力的影响

悬链线受力阶段峰值抗力放大系数拟合

近日，研究成果以《钢筋混凝土平面框架水平-竖向混合和竖向连续倒塌响应的对比研究》(Comparative Study between Horizontal-Vertical Mixed and Vertical Progressive Collapse Responses of Reinforced Concrete Planar Frames)为题发表在美国土木工程师协会(American Society of Civil Engineers, ASCE)创办的权威期刊《结构工程期刊》(Journal of Structural Engineering)上。该期刊创刊于1983年，是结构工程领域最古老和被认可度最高的期刊之一，近3年年均发文量仅272篇。人居学院侯健教授为论文通讯作者，博士生刘秉峰为论文第一作者，西安交通大学是该论文第一作者单位和唯一通讯作者单位，该研究工作获得了国家自然科学基金面上项目和陕西省重点研发计划项目的共同资助。

侯健教授长期围绕极端荷载作用下工程结构倒塌机理与抗倒塌性能开展深入研究，在钢筋混凝土框架连续倒塌机理和倒塌抗力计算方法等方面均已取得重要进展，相关研究成果为工程结构的防灾减灾设计和评估提供科学依据。

论文链接：https://ascelibrary.org/doi/epdf/10.1061/JSENDH.STENG-14830