強風環境模擬的建筑RC梁柱抗倒塌數值模擬

熊 歡，段 軍

(1. 重慶城市科技學院建筑管理學院，重慶 402167； 2. 重慶大學土木工程學院，重慶 400044)

1 引言

在強風環境下會降低建筑構件的承載能力，若建筑結構沒有備用的極限荷載傳力路徑，會產生連鎖反應，進而導致整體結構出現倒塌現象。經調查發現，在強風環境下，引起建筑結構發生倒塌破壞的主要原因是底部薄弱層被破壞，其中發生概率最多的倒塌模式是RC梁柱節點倒塌。通過上述分析可知，通過在強風環境下模擬建筑RC梁柱節點抗倒塌，可以提高建筑結構的穩定性。

蘇佶智等人將鋼筋強度、軸壓比、混凝土強度和梁柱線剛度比作為變量，對RC梁柱有限元模型進行計算，完成RC梁柱節點抗倒塌數值模擬。但是該方法無法獲取節點的應力-應變關系，導致模擬結果與實際結果不符。錢凱等人結合Pushdown加載方法和堆加均布荷載方法，研究受力過程中RC梁柱節點的抗力曲線和開裂模型，完成抗倒塌數值模擬。但是該方法無法獲取材料的本構關系，無法準確的完成抗倒塌數值模擬。

為了解決上述方法中存在的問題，提出強風環境建筑RC梁柱節點抗倒塌數值模擬方法。

2 RC梁柱節點有限元模型

1)模型介紹

強風環境建筑RC梁柱節點抗倒塌數值模擬方法在ABAQUS軟件中對RC梁柱節點完成建模，通過分離式建模方法在RC梁柱節點有限元模型中完成混凝土和鋼筋的建模。

2)邊界條件及模擬方法

①邊界條件：底部和頂部在RC梁柱中屬于反彎點，在RC梁柱節點模型中對柱頂在x、z方向中的轉動以及在x、y方向中的位移進行約束，柱底處的鉸支座自由度除了在y方向中，都存在約束條件；在梁端節點左右屬于反彎點，因此在x、z方向中應該對梁端的轉動進行限制，保證在xz平面中節點發生位移。

②模擬方法：將豎向壓力施加在柱頂處，對柱頂存在的軸壓荷載進行模擬，通過位移加載方法對梁端存在的豎向荷載進行模擬，提高RC梁柱節點有限元模型的收斂性。

3)本構關系

①鋼材本構模型

強風環境建筑RC梁柱節點抗倒塌數值模擬方法通過雙折線隨動強化模型描述鋼材在建筑RC梁柱中的應力-應變關系

=(-)+

(1)

式中，表示鋼材在梁柱中的極限強度；表示鋼材在梁柱中的屈服強度；表示在強化階段中鋼材對應的模量；表示鋼材在梁柱中對應的彈性模量。

②混凝土本構模型

RC梁柱中的混凝土分為兩類，分別是非約束混凝土和約束混凝土，強風環境建筑RC梁柱節點抗倒塌數值模擬方法利用混凝土塑性損傷模型獲得混凝土在RC梁柱結構中的應力-應變關系：

a)非約束混凝土

通過混凝土單軸受拉、受壓的應力-應變關系表示普通混凝土在梁柱中的應力-應變關系

(2)

(3)

b)約束混凝土

強風環境建筑RC梁柱節點抗倒塌數值模擬方法采用Legeron&Paultre模型描述約束混凝土在建筑RC梁柱中的壓應力-應變關系

(4)

設代表的是約束混凝土在建筑梁柱中的受壓峰值應力，可通過下式計算得到

(5)

式中，表示箍筋在結構中對應的應力；表示體積配箍率，其計算公式如下

=0

(6)

式中，0表示體積配箍率；表示有效配箍參數。

通過上述過程，獲得有效約束指標與約束混凝土峰值壓應變和壓應變之間存在的關系

(7)

針對上述方程中存在的控制參數，可通過下式計算得到

(8)

式中，50、50分別表示峰值應力為50時，混凝土的有效約束指標和壓應變。

3 節點變形分析與剪力計算

3.1 變形分析

=(sin)2

(9)

根據對角線變量計算該節點的主壓應變

(10)

3.2 剪力計算

用=02表示RC梁柱受壓區在整體結構中對應的高度?？紤]核心混凝土以及其保護層在建筑RC梁柱結構中的貢獻作用，在分析節點抗剪作用過程中，強風環境建筑RC梁柱節點抗倒塌數值模擬方法通過Mander模型描述混凝土保護層，在相關約束條件下構建核心區混凝土在整體結構中對應的本構模型，通過下式分析混凝土軟化程度χ

(11)

強風環境建筑RC梁柱節點抗倒塌數值模擬方法通過理想彈塑性模型對箍筋抗剪作用進行考慮，在此基礎上計算箍筋的應變。

在RC梁柱節點抗剪模型的基礎上分析節點的應力應變過程如下：

1)對建筑RC梁柱節點的剪切應變進行計算；

2)計算建筑RC梁柱節點的主拉應變和主壓應變；

3)在混凝土本構關系的基礎上獲得混凝土在建筑RC梁柱結構中對應的應力；

4)對箍筋應力進行計算；

5)根據上述計算結果獲得建筑RC梁柱節點對應的剪力，以此為依據獲得節點區在整體結構中的簡應力。

4 抗倒塌數值模擬

在強風環境下，對構建的建筑RC梁柱有限元模型施加循環荷載。調整風速，推覆分析建筑RC梁柱節點的非線性靜力，對建筑RC梁柱節點的抗風承載力進行研究。

在風攻角為90°的條件下，對推覆曲線進行模擬，模擬結果如圖1所示。

圖1 推覆曲線

分析圖1可知，確定性模型在推覆分析過程中獲得的缺陷位置通常情況下由不確定推覆曲線的中間位置確定，對臨界倒塌風速進行分析可知，由于結構尺寸和材料屬性等因素，大部分不確定模型均高于確定性模型，對承載能力進行分析可知，不確定性分析結果均高于確定性分析結果。

所提方法在累積分布函數的基礎上建立建筑RC梁柱結構的易損曲線，并采用對數正態分布函數對建筑RC梁柱節點的水平位移進行擬合處理，獲得RC梁柱結構的易損曲線(圖2)，RC梁柱頂點位置對應的易損性曲線如圖3所示。

圖2 臨界倒塌風速對應的易損性曲線

圖3 框頂位移對應的易損性曲線

圖2中的原始數據由于風壓不均勻系數在強風環境下發生突變，導致其在風速為45m/s附近存在平臺段。

分析圖2和圖3可知，大部分框頂位移數據和臨界倒塌風速都存在于95%置信區間內，表明強風環境建筑RC梁柱節點抗倒塌數值模擬方法可獲得較為精準的倒塌數據。將易損性曲線作為依據，在數值模擬過程中獲得建筑RC梁柱節點的臨界倒塌數據，當建筑RC梁柱節點超過臨界倒塌值時會發生倒塌。

建筑RC梁柱節點初始失效位置分布圖如圖4所示。

圖4 初始失效位置分布圖

編號為1059、1544、999構件為建筑RC梁柱結構中存在的初始失效構件。

建筑RC梁柱失效桿件的失效概率如圖5所示。

圖5 失效概率圖

分析圖5可知，失效概率最高的為999桿件，高達87%，在確定性倒塌分析過程中可將999桿件視為初始失效桿件。

在自然界中風向隨時都會發生變化，風攻角在自然界中也隨之變化，因此風攻角具有隨機性。建筑RC梁柱結構在不同風攻角環境下，其風荷載分布在不同水平方向中都不相同，因此需要分析不同風攻角對建筑RC梁柱結構對應的易損性曲線和結構中存在的初始失效構件產生的影響。

風攻角在雙軸對稱的建筑RC梁柱結構中的取值范圍為0°-90°。

圖6 風攻角示意圖

表1 風荷載分配表

表1中，W代表的是風攻角為90°環境下導線和地線中存在的風荷載；K代表的是風荷載在建筑RC梁柱中對應的斷面形狀系數；W代表的是風攻角為90°時，建筑RC梁柱中承受的風荷載；W代表的是風攻角為0°時，建筑RC梁柱中承受的風荷載；W表示橫擔風荷載。

風攻角對臨界倒塌風速易損性產生的影響如圖7所示。

圖7 臨界倒塌風速在不同風攻角下的易損性曲線

對圖7進行分析發現，風攻角與建筑RC梁柱節點對應的易損性曲線之間呈負相關。

表2和表3給出在風攻角不斷增大的環境下建筑RC梁柱節點易損性曲線對應的標準差的臨界倒塌風速變化。相對誤差的計算公式如下

(12)

分析表2和表3中的數據可知，在風攻角不斷增大的環境下，建筑RC梁柱節點易損性曲線對應的標準差的臨界倒塌風速均呈減小趨勢。針對倒塌分析結果，不確定模型獲得的結果均小于確定性模型獲得的結果，表明針對建筑RC梁柱節點的抗倒塌分析，確定性分析方法獲得的結果偏高。

表2 倒塌風速

表3 倒塌位移

5 結束語

鋼筋混凝土框架中的RC梁柱框架具有較高的穩定性，在眾多領域中都得到了廣泛的應用，但在強風環境下建筑RC梁柱的轉動性能、內力分布會產生變化，進而導致建筑RC梁柱節點出現倒塌現象，為了提高建筑RC梁柱結構的穩定性需要對建筑RC梁柱節點抗倒塌進行數值數值模擬分析。提出強風環境建筑RC梁柱節點的抗倒塌數值模擬方法，構建了RC梁柱有限元模型，在強風環境中通過有限元模型完成節點抗倒塌數值模擬，。