新论文：中柱节点向上和向下冲剪破坏引起的板柱子结构连续倒塌研究

Journal of Structural Engineering - ASCE

论文链接：

https://ascelibrary.org/doi/pdf/10.1061/%28ASCE%29ST.1943-541X.0003241

       板柱结构（在国内也称之为无梁楼盖结构，国外称之为平板结构）因其空间利用率高、施工简便、经济效益显著等诸多优势，广泛应用于国内外的建筑行业。但是板柱节点的脆性破坏易触发结构系统的连续倒塌，造成严重的人员伤亡和经济损失。近期较为严重的事故是2021年6月24日美国迈阿密12层板柱结构住宅楼连续倒塌，事故造成至少98人死亡，该事故已引起了科学界和工程界的广泛关注。根据该结构的原始设计资料和建筑设计规范，清华大学陆新征教授、格里菲斯大学关红教授、中国建筑设计研究院孙海林总工、北京工业大学李易教授合作，采用课题组研发的倒塌场景可视化平台和节点精细模型，反演和评估了结构的抗连续倒塌性能和设计缺陷[1]。在此之前，课题组在板柱结构领域已经开展了深入合作，研究了面内约束节点在不同冲剪方向下全过程受力性能[2]和精细数值模拟方法[3]、节点性能提升的构造措施[4]、弯-剪组合作用下面内约束节点受力特性[5]。在板柱子结构连续倒塌方面，研究了中柱失效[6]、角柱失效[7]、中柱及边柱失效[8]的连续倒塌行为和内力重分布规律，以及关键结构参数对板柱结构连续倒塌的影响[9]。

       在板柱结构的抗倒塌机制和破坏机理方面，目前广泛采用2×2跨板柱子结构开展各类柱失效场景下的静动力试验，借鉴框架结构的研究方法，通过拆除构件法研究柱失效后的板柱结构内力重分布规律。从实际连续倒塌事故可知，意外荷载在破坏柱的同时也会导致相应节点的冲剪破坏，其结构受力特征和简单移除柱构件有明显的区别。例如，当楼板遭受向下的超载作用时，意外荷载在移除柱时也会引起节点向上冲剪破坏（UPS）（见图1a）；而下层空间发生爆炸时，荷载在移除柱的同时也会导致节点发生向下冲剪破坏（DPS）（见图1b）。在上述过程完成后，剩余结构在内力重分布作用下发生相邻节点的向上（UPS）冲剪破坏。为分析上述场景下的结构连续倒塌机理和倒塌抗力，课题组在中国地震局工程力学研究所恢先地震工程实验室的支持下，开展2个2×2跨缩尺板柱子结构试件的静力连续倒塌试验（试件尺寸5000mm×5000mm），研究中柱节点分别发生向上和向下初始冲剪破坏后结构的连续倒塌机理，并分析了子结构冲剪前后的承载力。

(a) 超载引起中柱节点向上冲剪

(b) 爆炸引起节点向下冲剪

图1 意外荷载作用工况

     试验原型结构为3层双向4跨的停车场，设计恒荷载和活荷载分别为6.68 kN/m²和5 kN/m²，结构设计同时满足中国和澳大利亚混凝土结构设计规范（GB 50010-2010 (2015版)和AS 3600-2018），设计板厚为270 mm。选取底层中间2×2跨子结构（见图2a），按照1:3缩尺后板厚为90 mm，楼板配筋见图2b，并制作了两个子结构试件。前期节点试验研究中也将中间节点单独抽取，设置了面内约束开展了节点性能试验[2]，用于和本文子结构系统中节点行为进行对比。

（a）选取的子结构

(b) 1/3缩尺子结构配筋

图2 板柱子结构选取及配筋（单位：mm）

      试验采用两阶段加载：1) 集中加载（LP-1），采用千斤顶对中柱进行加载，直至中柱节点发生冲剪破坏，其中UPS-Sub与DPS-Sub试件分别模拟中柱节点向上和向下冲剪破坏；2）拟均布加载（LP-2），通过千斤顶和12点力分配系统对楼板施加向下的拟均布荷载，模拟中柱节点失效后楼面荷载作用直至楼板发生倒塌破坏（见图3）。另外，试验中测量了千斤顶施加的轴力（见图3）、钢筋应变、竖向位移和水平位移（见图2b）。

1: Hydraulic Jack; 2: Load cell; 3: Upward concentrated loading device; 4: Triangular steel plates (TSPs); 5: Flat slab substructure; 6: Horizontal LVDTs; 7: Steel columns.

图3 试验加载方案

      集中加载阶段（LP-1）两个试件的力-位移曲线见图4，两个试件均以弯曲变形为主，UPS-Sub和DPS-Sub的中柱节点冲剪承载力分别为90 kN和56 kN，对应的冲剪位移分别为37 mm和83 mm。因此，UPS-Sub的冲剪承载力比DPS-Sub高58.2%，但UPS-Sub的冲剪位移比DPS-Sub低53.6%。图5给出UPS-Sub和DPS-Sub的裂缝分布，分别对应局部和整体的失效模式。

图4  LP-1（集中加载阶段）阶段力-位移曲线

(a) 板顶

(b) 板底

图5 LP-1（集中加载阶段）阶段裂缝分布

      图6给出了拟均布加载LP-2阶段两个试件的力-位移曲线，UPS-Sub和DPS-Sub的承载力机制均可划分为压膜机制、转换和拉膜机制3个阶段。压膜机制阶段UPS-Sub（297 kN）的峰值承载力比DPS-Sub（274 kN）高8.4%，对应的竖向位移和水平位移分别高91.1%和57.1%，这表明集中加载阶段的向上残余变形有利于受压薄膜的受力。两个试件都是边中柱先冲剪，进而角柱冲剪，UPS-Sub和DPS-Sub所有柱（边柱和角柱）都发生冲剪破坏的位移分别为188 mm和175 mm，节点冲剪后可以通过受拉钢筋提供承载力，因此子结构的承载力可以继续提升。拉膜机制阶段，UPS-Sub和DPS-Sub冲剪后峰值承载力分别为346 kN和348 kN，这表明子结构的极限承载力不受初始冲剪方向的影响。LP-2（拟均布加载）阶段加载结束时UPS-Sub的板顶裂缝分布见图7，板顶裂缝呈环状分布且相互延伸产生交叉，边柱和角柱分别形成类似圆形和半圆形冲剪破坏区，需要说明的是DPS-Sub的裂缝分布与之类似，不再赘述。

图6  LP-2（拟均布加载）阶段力-位移曲线

图7  LP-2（拟均布加载）阶段加载结束时UPS-Sub的板顶裂缝分布

      采用澳洲规范、中国规范、美国规范和欧洲规范评估LP-1（集中加载阶段）阶段中柱节点冲剪承载力（见表1），发现UPS-Sub和DPS-Sub试件的中柱节点承载力均显著低于规范预测值，可能是面内张力作用降低了节点的冲剪承载力。

表1 中柱节点冲剪承载力

      本研究中采用屈服线理论评估结构的抗弯承载力（图8），进而评估压力薄膜的贡献，经计算发现UPS-Sub和DPS-Sub的压膜贡献分别占抗弯承载力的17.2%和11.7%，表明向上的残余变形有利于压力薄膜的发展。此外，UPS-Sub和DPS-Sub的中柱节点冲剪区域的抗弯承载力贡献分别占结构总抗弯承载力的12.1%和11.4%。

图8  屈服线理论模型示意图

      为了评估板柱子结构的动力倒塌抗力，通过简化的能量原理方法将结构的静力-位移曲线转化为动力-位移曲线，分析结果表明压膜机制下UPS-Sub和DPS-Sub动力倒塌抗力分别是设计荷载（1.2恒荷载+0.5活荷载）的1.095和1.030倍，而拉膜机制下分别为1.482和1.613倍（见图9）。因此，两个试件压膜机制下提供有限的动力倒塌抗力，但拉膜机制下能提供充足的动力倒塌抗力。

图9  静动力倒塌抗力对比

     （1）在集中加载阶段阶段，UPS-Sub和DPS-Sub的分别表现为局部和整体失效模式。UPS-Sub的中柱节点冲剪承载力比DPS-Sub高58.2%，但对应的冲剪位移UPS-Sub比DPS-Sub低53.6%。然而，两个试件的中柱节点冲剪承载力均显著低于规范预测值。

     （2）在拟均布加载阶段，压膜机制下UPS-Sub的峰值承载力比DPS-Sub高8.4%，而屈服线理论计算表明中柱节点冲剪区域的抗弯承载力贡献分别占结构总抗弯承载力的12.1%和11.4%。拉膜机制下，UPS-Sub和DPS-Sub的峰值承载力非常接近，表明中柱节点冲剪方向不影响结构的极限承载力。

     （3）通过简化能量原理方法分析表明，UPS-Sub和DPS-Sub在压膜机制下提供有限的动力倒塌抗力，但拉膜机制下能提供充足的动力倒塌抗力。

      感谢中国地震局工程力学研究所恢先地震工程实验室为试验提供了充足的时间和空间，在原位开展子结构试件的制作、养护和测试。

[1] A preliminary analysis and discussion of the condominium building collapse in surfside, Florida, US, June 24, 2021, Frontiers of Structural and Civil Engineering, 2021, 1-14. (新论文：美国佛罗里达公寓大楼倒塌的初步分析和讨论)

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