新论文丨不同冲剪方向下板柱节点抗倒塌性能研究

近年来国内外板柱结构连续倒塌事故不断报道，引发了工程界对板柱结构体系工程可靠性和设计方法的担忧。

板柱结构，具有建造方便、施工成本低、外形美观、使用空间大等优点，目前在国内外得到广泛应用。但是，由于板柱节点处易引发具有脆性破坏特征的冲剪破坏，易触发结构系统的连续倒塌。传统板柱结构的研究重点主要集中在小变形下的节点冲剪破坏，而连续倒塌是结构系统在大变形下的力学行为，节点冲剪后的受力对结构系统连续倒塌行为仍有显著影响。因此，有必要对面内约束节点在大变形冲剪破坏后的受力机理进行深入研究。

本研究通过对4个考虑边界面内约束的节点试件进行的试验和模拟研究(1/3缩尺，不同冲剪方向的无暗梁试件和有暗梁试件)，分析了大变形下板柱结构的抗连续倒塌性能及其在不同冲剪方向以及加强措施下的破坏和失效机理。

👉板柱结构发生冲剪破坏后，承载力和变形由穿柱纵筋决定，穿柱纵筋的断裂会导致承载力的突降，当穿柱纵筋全部断裂时，承载力基本丧失;

👉对于无暗梁试件，不同冲剪方向的试件(UPS-1和DPS-1)的钢筋断裂次序相反，两种试件表现出不同的破坏机理;

👉暗梁使得穿柱纵筋受力和变形协调，导致不同冲剪方向下的悬挂机制受力无明显区别(UPS-S1和DPS-S1)。暗梁能够同时提高试件受弯机制和悬挂机制的承载力峰值，且可提高悬挂机制下的变形能力;

👉基于数值结果分析，在无暗梁试件中，板内穿柱钢筋对试件冲切破坏后的承载力贡献超过99%。对于有暗梁试件，柱上板带内箍筋的约束有助于提高板的整体性和延性，改变板柱节点的破坏模式。由于更多钢筋参与受力，穿柱钢筋对总承载力的贡献降低到50%。

图1.连续倒塌中板柱结构节点破坏模式

(a) 平面图 (mm)

(b) 试验装置

图 2. 原型结构及试验装置

(a) DPS-1 & UPS-1

(b) DPS-S1 & UPS-S1

图3.  试件荷载位移曲线

(a) UPS-1

(b) DPS-1

图4.  不同冲剪方向试件破坏模式对比

(a) UPS-1

(b) UPS-S1

图5.  有无暗梁试件破坏模式对比

(a) DPS-1 & UPS-1

(b) DPS-S1 & UPS-S1

图6.  试验与数值模拟荷载位移曲线比较

(a) UPS-1

(b) DPS-1

(c) UPS-S1

(d) DPS-S1

图7.  板内钢筋和混凝土对承载力的贡献占比

*以上图表均由作者本人提供

刁梦竹

澳大利亚Griffith大学工程与建设环境学院博士生

主要从事钢筋混凝土结构连续倒塌方面的研究。已在Magazine of Concrete Research、Engineering Failure Analysis、Journal of Performance of Constructed Facilities-ASCE、Advanced Steel Construction和《工程力学》等国内外学术期刊上发表SCI/EI论文7篇。

李易

北京工业大学城市建设学部

副研究员、博士生导师

兼任中国建筑学会建筑结构抗倒塌专业委员会秘书长，担任《建筑结构抗倒塌设计规范CECS392-2014》、《多螺旋箍筋柱应用技术规程T/CECS 512 2018》等标准编委。主要从事工程结构防灾减灾方面的研究工作。发表论文80余篇，出版专著1部。先后入选北京市科技新星、市委组织部优秀人才等人才培养计划。

关红

澳大利亚Griffith大学工程与建设环境学院教授

兼任Australian Network of Structural Health Monitoring Executive Committee Member，Australian Journal of Structural Engineering Associate Editor等。主要从事结构工程、计算力学和结构健康监测方面的研究工作。发表期刊论文130余篇，出版专著2部。

陆新征

清华大学土木工程系教授

防灾减灾工程研究所所长，兼任《工程力学》期刊主编，Journal of Structural Engineering-ASCE Associate Editor等。主要从事土木工程防灾减灾方面的研究工作。发表论文200余篇，出版中英文专著5部。入选Elsevier“中国土木和结构工程学科高被引学者”（2014-2019）。成果被国标、行标、美国混凝土学会规程、美国NSF重大项目平台及重要结构计算软件采纳，并应用于北京“中国尊”超高层建筑等多个标志性工程，参与汶川、玉树、芦山、鲁甸等地震的抗震救灾工作。获国家自然科学二等奖(2/4)、长江学者特聘教授(2018)等。

薛慧中

山东建筑大学讲师

主要从事钢筋混凝土结构连续倒塌方面的研究。在Griffith大学取得博士学位。已在Journal of Structural Engineering、Engineering Structures、Magazine of Concrete Research等国外学术期刊上发表SCI论文5篇。

郝宗达

结构工程师

北京城建设计发展集团股份有限公司，在北京工业大学取得硕士学位。