新论文：边柱以及边中柱失效后平板结构连续倒塌行为试验研究

论文链接：

https://authors.elsevier.com/a/1afqo_3DEQ2Kyn

https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.110299

钢筋混凝土平板结构（又称无梁楼盖结构）现今在澳洲乃至世界范围内广泛用于停车场、办公楼和民用住宅。这种仅由板和柱构成的结构体系广受欢迎，其主要原因包括施工简单，成本低，使用空间大等。然而，这种结构存在很大的安全隐患，其中最大的安全隐患之一是板柱节点处易于发生脆性冲切破坏，并向周边节点扩散进而引发结构大范围倒塌。以下3个典型的连续倒塌案例，均是由于节点冲切破坏进而引发的（图1）。        

图1 节点冲切破坏导致结构连续倒塌典型案例

(a)2000 Commonwealth Avenue; (b)Sampoong Department Store; (c)Pipers Row Car Park

目前国际抗连续倒塌设计规范和众多学者已经针对平板结构的抗连续倒塌设计方法开展了大量研究。最受欢迎的研究方法之一是通过移除结构的关键承重构件，分析剩余结构的承载能力，从而对结构抗倒塌能力进行评估。针对平板结构，虽然现有的研究几乎包含了移除单个不同部位的任意关键承重构件，但是同时移除多个关键承重构件的研究尚未开展。然而1995年Alfred P. Murrah Federal Building 的倒塌事件（图2）告诉我们，结构在初始破坏时可能存在多个关键承重构件的同时失效。

图2 Alfred P. Murrah Federal Building倒塌事故

因此本文将针对移除平板结构单个(S-E)和两个(S-EI)关键承重构件的条件下，对剩余结构的承载能力、破坏形态和内力的重分布情况进行研究，并且比较两种情况下的不同。

试验试件的原型结构是一个三层平板结构的停车场。图3(a)是原型结构一层的俯视图，选取图中正方形阴影部分为本试验研究对象。图3(b)为三分之一缩尺后S-E的试验模型。其中，C4处的临时钢柱用于S-E，而C4和C5处的两个临时钢柱用于S-EI。

图3 试验试件

(a)原型结构一层的俯视图; (b)缩尺后S-E的试验模型

图4和图5分别是S-E和S-EI试验装置图。为了对移除柱的区域进行多点加载，试验采用空心矩形梁和三角板的分布式加载装置，板的其余区域则通过施加钢块和沙袋，模拟真实结构中作用在板上的活荷载。为了对试验过程中板的破坏形态进行监测，在板的内部和外部分别安装大量的传感器（钢筋/混凝土应变片、位移计）。每个柱子的底部也都装有测力传感器，用来实时记录在不同加载阶段下柱子内力的分布情况。

图4 S-E试验装置

图5 S-EI试验装置

通过试验，可以得到如图6(a)和(b)所示的S-E和S-EI两个试验的承载力-位移曲线图。图中，IC，FPL和PPL分别表示初始裂缝时的荷载，第一峰值点载荷和第二个峰值载荷。

图6 承载力－位移曲线图(a)S-E; (b)S-EI

在加载至FPL之前，两个试验中的试件均通过小变形下的抗弯和压膜作用来抵抗外荷载，并且试验过程中都发生了弯曲破坏。在FPL处，两个试件均发生冲切破坏，其中S-E是在柱子C5处而S-EI则在柱子C8处。此后，S-E和S-EI都通过一种组合形态的受力机制继续承载，其中包括弯曲机制，拉膜机制和销栓机制。这一破坏后承载机制一直持续到第二个承载力峰值PPL，伴随着屈服线的完全形成，如图7和图8所示。通过对比这两个试验发现，相对于单独移除边柱的情况，同时移除边柱和中柱时，板的最终承载力（PPL）减少26.9%，但抵抗变形的能力增加112%。

图7 S-E破坏模式

图8 S-EI破坏模式

此外，板在两个试验最后的裂缝图如图9、10所示。

图9 S-E试验后板的裂缝情况

(a)板顶面裂缝情况; (b)板底面裂缝情况

图10 S-EI试验后板的裂缝情况

(a)板顶面裂缝情况; (b)板底面裂缝情况

1) 两个试验的受力机制几乎相同：在第一个峰值点之前，为弯曲机制和少量压膜机制；第一个峰值和第二个峰值之间，为弯曲机制，拉膜机制和销栓机制。并且两个试验中两个峰值点的破坏现象相同，分别是冲切破坏和屈服线的形成。

2) 在边柱移除的情况下，第二个峰值较第一个峰值提高9.6%。在边柱和中柱同时移除的情况下，第二个峰值较第一个峰值提高81.9%。这说明在平板结构发生初始破坏后，结构在大变形下仍具有较大的承载力储备，是抗连续倒塌应该着重研究的。

3) 虽然同时移除边柱和中柱相对于只移除边柱会导致结构的最终承载力下降26.9%，从而增大结构发生连续倒塌的风险。但与此同时，前者的变形能力较后者提高112%，结构延性提高。