Magazine of Concrete Research
論文鏈接：
https://doi.org/10.1680/jmacr.19.00217
【編者按】近年來國內(nèi)板柱結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌事故不斷被報道，引發(fā)了工程界對板柱結(jié)構(gòu)體系工程可靠性和設(shè)計方法的擔(dān)憂。從2015年起，清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)和澳大利亞格里菲斯大學(xué)合作在該領(lǐng)域開展了系列的合作研究，涉及約束節(jié)點沖剪全過程的受力機理試驗[1]、精細數(shù)值模擬方法[2]和沖剪后抗力計算理論，以及子結(jié)構(gòu)的靜動力連續(xù)倒塌機理試驗[3-5]、精細和簡化數(shù)值模擬方法[6]和動力效應(yīng)規(guī)律，后繼還將不斷深化各方向的研究并陸續(xù)報道。
[1] Post-punching mechanisms of slab-column joints under upward and downward punching actions, Magazine of Concrete Research, 2019, DOI: 10.1680/jmacr.19.00217
[2] Simulation of punching and post-punching shear behaviours of RC slab–column connections, Magazine of Concrete Research, 2020, DOI: 10.1680/jmacr.19.00465 (參見：新論文：鋼筋混凝土板柱節(jié)點沖切及沖切破壞后行為的數(shù)值模擬)
[3] Load transfer and collapse resistance of RC flat plates under interior column removal scenario, Journal of Structural Engineering-ASCE, 2018, 144(7): 04018087.(參見：新論文：中柱失效后板柱結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌傳力機理研究)
[4] Experimental study on the progressive collapse behaviour of RC flat plate substructures subjected to corner column removal scenarios, Engineering Structures, 2019, 180: 728-741. (參見：新論文：角柱失效后平板結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌行為實驗研究)
[5] Experimental study on the progressive collapse behaviour of RC flat plate substructures subjected to edge-column and edge-interior-column removal scenarios, Engineering Structures, 2020, 209: 110299. (參見：新論文：邊柱以及邊中柱失效后平板結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌行為試驗研究)
[6] Comparative and parametric studies on behaviour of RC flat plates subjected to interior column loss, Journal of Structural Engineering-ASCE, 2020, (accepted)
研究背景
Law
板柱節(jié)點在沖剪破壞后，穿過沖剪破壞界面的鋼筋受周邊板的面內(nèi)約束，可以通過受拉以懸掛機制的形式提供傳力路徑。傳統(tǒng)板柱結(jié)構(gòu)常規(guī)受力和抗震性能的研究重點主要集中在小變形下的節(jié)點沖剪承載力，而連續(xù)倒塌是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在大變形下的力學(xué)行為，節(jié)點沖剪后的受力對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)連續(xù)倒塌行為仍有顯著影響，因此認(rèn)識板柱節(jié)點沖剪破壞后的受力機理和承載力發(fā)展是分析整體板柱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)連續(xù)倒塌的基礎(chǔ)。現(xiàn)有研究對面內(nèi)約束節(jié)點在大變形沖剪破壞后受力機理認(rèn)識不足，相關(guān)計算理論缺乏。
板柱結(jié)構(gòu)節(jié)點在倒塌過程中存在兩種破壞模式(如圖1所示)：1) 向上沖剪破壞(Upward Punching Shear, UPS)，呈倒錐形的破壞形態(tài)，一般由樓面超載引起的直接或間接的內(nèi)力重分布造成的倒塌破壞；2) 向下沖剪破壞(Downward Punching Shear, DPS)，呈錐形的破壞形態(tài)，由對板向上的作用力導(dǎo)致，可能由爆炸或颶風(fēng)等因素引起。此外，由于連續(xù)倒塌觸發(fā)原因和倒塌過程的復(fù)雜性，在內(nèi)力重分布的作用下，相鄰的板柱節(jié)點可能出現(xiàn)UPS和DPS兩種破壞模式。以往板柱節(jié)點的研究還主要針對常規(guī)受力或抗震受力下的UPS破壞模式，如果需要研究板柱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的連續(xù)倒塌，則需要對DPS也進行充分的研究。
圖 1. 連續(xù)倒塌中板柱結(jié)構(gòu)節(jié)點破壞模式
試件設(shè)計
Law
為了分析大變形下兩種沖剪后板柱結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能，本文制作了4個考慮邊界面內(nèi)約束的節(jié)點試件(1/3縮尺)，如圖2和3所示。樓板范圍選擇中柱破壞后樓板受彎時的反彎點處。由于加載中采用千斤頂通過位移控制對柱頭施加向下的力，為模擬該處在小變形受彎時僅提供面內(nèi)軸向約束而轉(zhuǎn)動約束被釋放，UPS試件的板頂鋼筋在支座處彎折進入板底，在加載時上部素混凝土受拉開裂，釋放轉(zhuǎn)動約束（圖3d）。UPS和DPS試件各1組，每組試件中分別包含一個無暗梁的試件和一個有暗梁的試件，兩組試件中的有暗梁試件分別記為UPS-S1和DPS-S1。分析了板柱節(jié)點在不同沖剪方向以及加強措施下的破壞和失效機理，為連續(xù)倒塌的研究和工程設(shè)計提供參考。
(a) 平面圖 (mm) (b) 試驗裝置
圖 2. 原型結(jié)構(gòu)及試驗裝
(a) 負(fù)彎矩鋼筋 (FR) (b) 整體性鋼筋 (IR)
(c) DPS-1 (d) UPS-1
(e) UPS-S1 & DPS-S1 (f) 暗梁箍筋布置
圖3. 試件配筋圖
試驗結(jié)果
Law
試件承載力-位移曲線及破壞模式如圖4-6所示。不同沖剪破壞方向下無暗梁板柱節(jié)點受力性能有較大區(qū)別：1)由于負(fù)彎矩筋布置更加密集，UPS-1的抗沖剪承載力較DPS-1高16%；2)懸掛機制階段，UPS-1整體性剛筋先斷裂，數(shù)量較多的負(fù)彎矩筋能夠在后期發(fā)揮較大承載力并導(dǎo)致懸掛機制的峰值位移加大，而DPS試件鋼筋斷裂次序相反；3)縱筋首次斷裂后，UPS試件負(fù)彎矩筋從混凝土中拔出，而DPS試件整體性剛筋端部可靠約束僅部分從混凝土中拔出，負(fù)彎矩筋將樓板核心混凝土部分剪碎，兩試件表現(xiàn)出不同的破壞機理，如圖5所示。
對于有暗梁試件，由于暗梁中箍筋的約束作用，UPS-S1和DPS-S1的懸掛機制受力幾乎相同，如圖6所示。此外, 暗梁能夠同時提高試件受彎機制和懸掛機制的承載力峰值，且可提高懸掛機制下的變形能力，與UPS-1、DPS-1相比， UPS-S1和DPS-S1的抗沖切承載力分別增大了97%和72%，而相應(yīng)的位移也增大了37%。
(a) DPS-1 & UPS-1 (b) DPS-S1 & UPS-S1
圖4. 試件荷載位移曲線
(a) UPS-1 (b) DPS-1
圖5. 不同沖剪方向試件破壞模式對比
(a) UPS-1 (b) UPS-S1
(c) UPS-1 (d) UPS-S1
圖6. 有無暗梁試件破壞模式對比
有限元模擬
Law
基于LS-DYNA有限元軟件，進行3D實體建模，與試件結(jié)果吻合良好(如圖7)。具體建模方法見微信公眾號的另一篇推送：新論文：鋼筋混凝土板柱節(jié)點沖切及沖切破壞后行為的數(shù)值模擬。
(a) DPS-1 & UPS-1 (b) DPS-S1 & UPS-S1
圖7. 試驗與數(shù)值模擬荷載位移曲線比較
基于數(shù)值分析結(jié)果，圖8給出了四個試件在沖切區(qū)內(nèi)的混凝土以及六根穿柱鋼筋對整體承載力的貢獻。在沖切破壞發(fā)生之前，混凝土和鋼筋這兩種材料在沖切區(qū)域內(nèi)協(xié)同工作。從圖8所示的曲線可以看出，在所有試件中，沖切區(qū)內(nèi)的混凝土貢獻了約一半的承載力，而在所有試件中6根穿柱鋼筋對總承載力的貢獻均小于10%。在沖切破壞發(fā)生后，沖切區(qū)內(nèi)的混凝土對承載能力幾乎沒有貢獻，只起到對鋼筋的錨固作用。在UPS-1和DPS-1的無暗梁試件中，沖切破壞后，穿柱縱筋的貢獻占比達到99%之多。然而，對于UPS-S1和DPS-S1(圖8(c)和(d))，由于箍筋提供的約束作用形式改善了結(jié)構(gòu)的整體性，所以暗梁內(nèi)的所有板內(nèi)鋼筋都對整體承載能力產(chǎn)生貢獻。因此，6根穿柱鋼筋的貢獻降低到總承載的50%左右。
(a) UPS-1 (b) DPS-1
(c) UPS-S1 (d) DPS-S1
圖8. 板內(nèi)鋼筋和混凝土對承載力的貢獻占比
主要結(jié)論
Law
(1) 板柱結(jié)構(gòu)發(fā)生沖剪破壞后，承載力和變形由穿柱縱筋決定，穿柱縱筋的斷裂會導(dǎo)致承載力的突降，當(dāng)穿柱縱筋全部斷裂時，承載力基本喪失;
(2) 對于無暗梁試件，由于UPS-1和DPS-1試件沖剪方向不同，導(dǎo)致DPS與UPS鋼筋斷裂次序相反，兩試件表現(xiàn)出不同的破壞機理;
(3) 暗梁使得穿柱縱筋受力和變形協(xié)調(diào)，導(dǎo)致不同沖剪方向下的懸掛機制受力無明顯區(qū)別(UPS-S1和DPS-S1)。暗梁能夠同時提高試件受彎機制和懸掛機制的承載力峰值，且可提高懸掛機制下的變形能力;
(4) 基于數(shù)值結(jié)果分析，在無暗梁試件中，板內(nèi)穿柱鋼筋對試件沖切破壞后的承載力貢獻超過99%。對于有暗梁梁試件，柱帶內(nèi)筋箍筋的約束有助于提高板的整體性和延性，改變板柱節(jié)點的破壞模式。由于更多鋼筋參與受力，穿柱鋼筋對總承載力的貢獻降低到50%。
END
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