建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法
【专利摘要】本发明公开了建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，包括步骤（1)建立分析模型，获得张弦结构的初始状态及响应■’步骤（2)选择具体一个预应力索做失效处理，然后对整体结构进行响应分析；步骤（3)对预应力索构件逐一做失效处理并逐一对失效后的结构进行响应分析：重复步骤（2)，以得到每个预应力索处于失效状态后的张弦结构的破坏状态及响应；步骤（4)进行张弦结构防连续倒塌设计。该方法能够有效防止在任意预应力索发生失效时张弦结构可能出现连续倒塌的情况发生，以保证张弦结构整体结构的稳定性。
【专利说明】建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及建筑领域中的防倒塌方法，具体是指建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，它广泛适用于钢结构工程领域张弦结构设计中预应力索的防连续倒塌的分析与设计。
【背景技术】
[0002]建筑结构的连续性倒塌是指结构因偶然荷载的作用造成结构局部破坏失效，继而引起与失效破坏构件相连的构件连续遭到破坏的连锁反应，最终导致相对于初始局部破坏更大范围的倒塌破坏，甚至全部倒塌。这些偶然荷载一般是指结构设计中没有考虑的意料之外的荷载，如煤气爆炸、炸弹袭击、车辆撞击、火灾、飓风、地震、基础沉降等，其造成的损伤往往是巨大和难以估计的。
[0003]人们关注建筑结构因局部破坏而引起连续倒塌的问题，最早始于上个世纪六十年代，因伦敦发生公寓楼因天然气爆炸而导致倒塌的事件，第一次引起了人们对建筑结构连续倒塌的关注，因此，英国是率先在建筑规程中考虑防连续倒塌设计的国家，而美国则是到了将近30年后的1995年发生了俄克拉马州的Alfred P Murrah大楼被炸弹炸毁后才开始重视防连续倒塌的研究，并且直到2001年的911事件，纽约世贸中心双塔被飞机撞击后发生了灾难性的连续倒塌，事后对双塔的倒塌过程进行仿真分析得知，双塔的倒塌直接原因是火灾导致的钢材软化和楼板塌落冲击荷载引起的连锁反应，此后，美国才陆续出台了防连续倒塌分析和设计的GSA准则和统一设施标准的UFC标准，前者确立了两种非线性分析方法及其不同的破坏准则等；后者则确立了建筑物的设防等级和相应的设计方法。
[0004]随着建筑结构遭遇偶然荷载的作用(含恐怖袭击)概率的增大，目前国外对于安全等级较高的建筑结构，工程师在建筑结构设计时都必须进行结构的防连续性倒塌设计，保证结构在一定安全可靠度之下具有防连续倒塌的能力，当偶然作用造成结构局部破坏时，结构能够通过多种荷载路径内力重新分布阻止破坏过大范围的蔓延，尽可能减少人员的伤亡和结构的破坏程度。
[0005]我国在美国911事件发生后，也开始了对建筑结构的防连续倒塌方面的研究，但尚没有制定出相应的设计规范或规程，仅在《混凝土结构设计规范》中给出防连续倒塌设计原则，《高层建筑混凝土结构技术规程》给出防连续倒塌的基本要求，这些都是针对混凝土结构的防连续倒塌设计，且并没有给出相应的具体的条文要求和设计方法，缺乏在实际的建筑工程建设中的可操作性。只是对于重大的建筑项目引入防连续倒塌的设计，属于个案摸索、没有统一的设计准则要求。
[0006]建筑钢结构中的张弦结构是一种张力结构，它是以一系列受拉的索作为主要承重构件，这些索按一定规律组成各种不同形式的结构体系，并悬挂在相应的支撑结构上。从力学角度看，钢索区别于杆件结构的主要特征是柔性构件，只能受拉，而抗压缩、弯曲、剪切及扭转的能力极低。索也经常承受横向载荷，产生横向变形，但它又不同于弯曲梁，索的弯曲刚度也极低，其横向载荷主要由轴向拉力来平衡。
[0007]预应力索常用于张弦结构设计中，是在结构承受荷载之前，预先对布置的钢索施加拉力，使其在服役期间，利用预加的拉、压应力全部或部分抵消载荷导致的压、拉应力，避免结构变形过大而遭到破坏，从而提高部分结构的刚度，平衡结构自重，改善结构的受力，使其在外荷载作用时的结构部分变形和相应的位移较小，以便结构在正常使用的情况下不因为变形过大而产生破坏。由于钢索特殊的力学性能，非常适于房屋和构筑物大跨度的结构形式，在张弦结构的设计中鉴于预应力索的巨大作用，其在大型公共建筑结构(机场、体育场馆、超高层建筑等)的使用广泛和频繁，张弦结构中预应力索能充分发挥高强材料的受拉性能，受力合理，自重轻，构造简单，施工方便，可以更经济地运用于大跨度结构，传力途径明确，其不足之处在于:张弦结构存在冗余度较少的缺陷，一旦预应力索失效，极容易引起连锁反应，造成大面积人员及财产损失，随着建筑结构遭偶然作用(含恐怖袭击)概率的增大，全世界对建筑结构的防连续倒塌能力要求都逐渐地提高，张弦结构设计中预应力索的防连续倒塌的设计就显得尤为重要了。
[0008]在张弦结构中，现采用的防连续倒塌的设计及分析方法通常是拆除构件法，即假定结构有局部初始破坏，拆除一根或几根主要受力构件，然后对剩余结构进行受力分析，预测初始破坏的蔓延情况，让结构具有多荷载传递路径，允许一定程度的破坏而不发生坍塌。如果拆除构件导致结构发生连续倒塌，则对该构件及相邻构件进行加强，否则不必进行加强。该方法既是一种分析方法，也是一种设计方法，当得出所设计的张弦结构中的倒塌规律，就能有针对性地对关键构件进行强化设计，以提高建筑的整体抗连续倒塌的能力。但上述方法中，需要预设局部失效的情况，假设情况不同，有许多要素的不同变化，会直接影响分析及设计的结果的合理性，如何使分析和设计结果更为合理？仍是在探索的过程中。
[0009]在我国个案的防连续倒塌设计实践中，克拉玛依市科技博物展览馆工程就对张弦结构进行了防连续倒塌的设计，主要分析了结构在正常使用和局部失效两种状态下的受力性能，对局部失效状况的受力情况均假设为标准值，如在防连续倒塌设计时只考虑任意一榀的下弦拉索失效，在标准荷载组合下，即1.0恒载+1.0活载+1.0预应力的荷载作用下，不考虑荷载组合系数，不对挠度进行控制，考虑材料进入塑性阶段时，控制上弦钢构件内力不超过极限承载力标准值，且假设拉索不超过0.5的屈服应力标准值，假设竖向荷载作用为标准荷载组合，不考虑构件失效的动力放大因素，综上所述，现有的防连续倒塌设计考虑构件的失效形式单一，因此，其设计的结果存在以下缺陷:
[0010](I)设计不够合理，影响结构的稳定性:其不对挠度进行控制，是缺乏合理性的，因为构件的挠度过大，其承载力和稳定性也将丧失，防连续倒塌的设计也失去意义；另外，其控制标准为上弦钢构件内力不超过极限承载力标准值，拉索不超过0.5的屈服应力标准值，控制标准部分为极限承载力，部分为屈服应力，一方面控制的形式不统一，另一方面，上弦钢构件内力控制在其极限承载力范围不够合理，未对各构件重要性进行区分对待，且未考虑构件的稳定性要求，一旦上弦钢构件失稳则该控制标准就失效了 ；
[0011](2)材料利用不够，不够经济的问题:拉索控制在0.5的屈服应力标准值范围内过于严格，对材料的利用不够，不够经济合理；
[0012](3)未考虑构件敏感度因素。
[0013]鉴于张弦结构中预应力索的防连续倒塌设计方法较为匮乏且存在的不合理性，本发明人针对此提出一种张弦结构设计中预应力索的防连续倒塌设计方法。
【发明内容】
[0014]本发明的目的是提供一种建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，该方法能够有效防止预应力索失效下的建筑体系张弦结构连续倒塌。
[0015]本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的:建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，包括如下步骤:
[0016]步骤(I)建立分析模型，获得张弦结构的初始状态及响应:根据原结构静力荷载分析，在有限元模拟计算平台上建立张弦结构的有限元模型；
[0017]对包含预应力索的张弦结构进行预应力索未遭破坏时的静力状态分析，以初始整体张弦结构在竖向荷载作用下的静力作用分析，得出张弦结构的初始状态及响应；
[0018]步骤(2)选择具体一个预应力索做失效处理，然后对整体结构进行响应分析:即假定某个预应力索处于失效状态，分别以该预应力索松弛和崩断两种状态作为预应力索的失效状态，然后对预应力索失效后的剩余张弦结构取荷载动力放大系数A，对剩余张弦结构进行A倍竖向荷载作用下的静力作用分析，以得出该预应力索失效后的张弦结构的破坏状态及响应；
[0019]步骤(3)对预应力索构件逐一做失效处理并逐一对失效后的结构进行响应分析:重复步骤(2)，以得到每个预应力索处于失效状态后的张弦结构的破坏状态及响应；
[0020]步骤(4)进行张弦结构防连续倒塌设计:以任意预应力索失效时，剩余张弦结构在竖向荷载作用下材料进入塑性阶段的情况下，控制张弦结构梁构件的挠度；控制剩余预应力索不应超过其0.8的屈服强度标准值，与发生失效的预应力索相连的张弦结构的钢构件应力不应超过极限承载强度标准值，控制不与发生失效的预应力索相连的张弦结构的钢构件应力，并对不与预应力索相连的各类型的钢构件的敏感性指标S.1.进行控制，
义O
[0021]其中，λ。是钢构件在初始状态下的承载能力，Ad是预应力索失效后钢构件的承载能力；
[0022]在上述设计标准下对张弦结构中的各钢构件进行补充设计调整，从而防止在任意预应力索发生失效时张弦结构可能出现连续倒塌的情况发生，以保证张弦结构整体结构的稳定性。
[0023]本发明所述步骤⑴中的张弦结构的静力状态分析为现有技术，采用已有的有限元分析软件即可，如可采用有限元软件Midas/Gen，或者采用有限元软件Etabs、或者采用有限元软件Sap2000。
[0024]本发明所述步骤(3)中所述的预应力索的松弛状态是指:拆除所选的预应力索，该预应力索与整体张弦结构连接处不施加反向作用力；所述预应力索的崩断状态是指:拆除所选预应力索，该预应力索与整体张弦结构连接处施加与预应力索拉力相等的反向集中作用力。
[0025]本发明所述步骤(4)中所述的张弦结构中梁构件的挠度控制标准也可统一换算为强度控制法。
[0026]本发明所述步骤(4)中所述的张弦结构中梁构件的挠度控制标准见表I ;
[0027]表1:梁构件挠度控制标准
[0028]
烧度限值
钢构件类别--
预应力索崩断预应力索松弛
与预应力索联系的梁构件//550//500
不与预应力索联系的梁构件//600//550
[0029]表I中，I为梁构件的长度，其中，
[0030]与预应力索联系的梁构件的预应力索崩断挠度值< 1/550 ；
[0031]与预应力索联系的梁构件的预应力索松弛挠度值< 1/500 ；
[0032]不与预应力索联系的梁构件的预应力索崩断挠度值< 1/600 ；
[0033]不与预应力索联系的梁构件的预应力索松弛挠度值< 1/550。
[0034]本发明所述步骤(4)中，不与发生失效的预应力索相连的张弦结构的钢构件应力按表2所示的钢构件控制标准控制；
[0035]表2:不与预应力索相连的钢构件应力控制标准
[0036]
控制应力[σ]
钢构件类别-----
预应力索崩断预应力索松弛
梁构件1.5.丨;v(WpAV)1.3-1；k-(Wp/W)
柱构件1.0fyk-(WpAV)0.85-fyk-(Wp/W)
受拉支撑 1.5‘fyk1.25-fyk
受压支撑 0.75_fyk0.6-fyk
[0037]表2中，所述的钢构件包括梁构件、柱构件、受拉支撑和受压支撑，Wp为截面的塑形模量，W为截面模量，fyk为钢材强度标准值，其中，
[0038]梁构件预应力索崩断的控制应力彡1.5.fyk.(ffp/ff)；
[0039]梁构件预应力索松弛的控制应力彡1.3.fyk.(ffp/ff)；
[0040]柱构件预应力索崩断的控制应力彡1.0.fyk.(ffp/ff)；
[0041]柱构件预应力索松弛的控制应力< 0.85.fyk.(ffp/ff)；
[0042]受拉支撑预应力索崩断的控制应力< 1.5.fyk ;
[0043]受拉支撑预应力索松弛的控制应力< 1.25.fyk ;
[0044]受压支撑预应力索崩断的控制应力< 0.75.fyk ；
[0045]受压支撑预应力索松弛的控制应力< 0.6.fyk。
[0046]本发明推荐的实施方式如下:
[0047]所述步骤(I)中竖向荷载为恒载+0.25活载；
[0048]所述步骤⑵中放大系数A的取值范围为1.2?1.5 ;
[0049]所述步骤(4)中竖向荷载为恒载+0.25活载；
[0050]所述步骤(4)中，当S.1.值> 0.75时，其应力控制标准在表I和表2的基础上乘以安全系数K，安全系数K的取值范围为0.75?0.85。
[0051]本发明中，表I梁构件挠度控制标准和表2钢构件的应力控制标准是本发明人综合各设计规范对构件挠度和承载能力要求以及防连续倒塌设计原理准则，同时考虑钢构件材料的承载能力使用度，并结合具体该类型工程结构设计经验总结出来的。
[0052]与现有技术相比，本发明防连续倒塌设计方法具有如下显著效果:
[0053](I)本发明补充并完善了现有技术中的钢结构设计中的，尤其是含有预应力索的张弦结构设计中预应力索失效状态下结构防连续倒塌的分析及设计方法。
[0054](2)本发明使得张弦结构中预应力索构件能够得到更好的发挥，并使得结构更加合理轻盈。
[0055](3)本发明明确了预应力索失效的两种方式，即松弛和崩断，且给出了针对这两种情况的防连续倒塌具体分析方法。
[0056](4)本发明在防连续倒塌分析中区别了重要构件和次要构件的判定准则，且引入敏感度指标进行控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0057]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0058]附图1为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型的三维图；
[0059]附图2为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型的立面图；
[0060]附图3为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型防连续倒塌分析研究部分；
[0061]附图4为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型防连续倒塌分析研究部分中的桁架层平面图；
[0062]附图5为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型防连续倒塌分析研究部分中的分析结构单元立面图；
[0063]图中，1-索1,2-索 2，3_ 索 3，4_ 索 4，5_ 梁 1，6_ 梁 2，7_ 梁 3，8_ 杆 1，9_ 杆 2，10-杆 3，11-杆 4，12-杆 5，13-杆 6，14-杆 7，15-杆 8，16-杆 9，17-柱 1，18-柱 2 ;
[0064]附图6为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型防连续倒塌分析研究部分整体结构荷载作用下竖向位移示意图；
[0065]附图7为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型防连续倒塌分析研究部分整体结构荷载作用下构件应力图；
[0066]附图8为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型防连续倒塌分析研究部分中索I拆除后荷载作用下竖向位移示意图；
[0067]附图9为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型防连续倒塌分析研究部分中索I拆除后荷载作用下构件应力图；
[0068]附图10为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型防连续倒塌分析研究部分中索2拆除后荷载作用下竖向位移示意图；
[0069]附图11为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型防连续倒塌分析研究部分中索2拆除后荷载作用下构件应力图；
[0070]附图12为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型防连续倒塌分析研究部分中索I崩断后荷载作用下竖向位移示意图；
[0071]附图13为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型防连续倒塌分析研究部分中索I崩断后荷载作用下构件应力图；
[0072]附图14为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型防连续倒塌分析研究部分中索2崩断后荷载作用下竖向位移示意图；
[0073]附图15为采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型防连续倒塌分析研究部分中索2崩断后荷载作用下构件应力图。
【具体实施方式】
[0074]下面结合采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型，来具体说明本发明的连续倒塌设计方法。采用本发明防连续倒塌设计方法的结构模型图参见图1和图2。本发明防连续倒塌设计方法的具体过程如下:
[0075]1、分析模型建立与选取
[0076]建立分析模型，获得张弦结构的初始状态及响应:根据原结构静力荷载分析，在有限元模拟计算平台上建立张弦结构的有限元模型，对结构进行连续倒塌分析，即在建筑物遭受偶然荷载作用导致结构预应力索构件突然失效后，防止其在恒载、活载等竖向荷载作用下发生连续性倒塌。本文采用有限元软件Midas/Gen建立结构有限元模型，根据原结构静力荷载分析和构件破坏影响程度选取图3至图5所示结构单元为连续倒塌分析研究对象，该结构单元承载能力贡献突出，且含有桁架层，是发生意外突发状况相对高危区域，分析该结构单元在索杆件松弛、崩断以及架空层角柱失效、承受汽车冲击荷载工况下的防连续倒塌能力。
[0077]2、分析与评估准则
[0078]2.1连续倒塌分析
[0079]首先对包含预应力索的张弦结构进行预应力索未遭破坏时的静力状态分析，初始整体张弦结构考虑在竖向荷载作用下的静力作用分析，可以得出张弦结构的初始状态及响应，该竖向荷载为恒载+0.25活载。
[0080]上述竖向荷载为恒载+0.25活载，每种不同使用功能的建筑，根据其使用材料和功能布置的不同等情况，恒载和活载的取值都不尽相同，《建筑结构荷载规范》GB50009-2012有规定，结构设计时会给出相应的荷载计算书，设计时本领域技术人员需根据实际情况和规范规定确定。
[0081]选择具体一个预应力索做失效处理，然后对整体结构进行响应分析:拆除预应力索，预应力索处于失效状态，以此评估预应力索失效后的张弦结构发生连续倒塌的风险，预应力索的失效是指预应力索处于松弛和崩断两种状态，以松弛或崩断两种状态来分析预应力索的失效时，对预应力索失效后的剩余张弦结构取荷载动力放大系数A= 1.5，并对剩余张弦结构进行1.5倍竖向荷载作用下的静力作用分析，可以得出预应力索失效后的张弦结构的破坏状态及响应，其中，该竖向荷载为恒载+0.25活载，预应力索的松弛状态分析是指:拆除预应力索，预应力索与整体张弦结构连接处不施加反向作用力；预应力索的崩断状态分析是指:拆除预应力索，预应力索与整体张弦结构连接处施加与预应力索拉力相等的反向集中作用力。这里的竖向荷载的选取和确定和对包含预应力索的张弦结构进行预应力索未遭破坏时的静力状态分析中竖向荷载的选取和确定相同。
[0082]拆除杆件设计是将结构中的部分杆件拆除，通过分析剩余结构的力学响应，来判断结构是否会发生连续倒塌，这种方法的实质是提供有效的备用传力路径，因此又称为“替代路径设计法”。一般情况下，每次分析对易遭受作用破坏部位的一个承载构件进行拆除后进行分析，来评估整体结构的抗倒塌能力。本文对预应力索进行失效分析，对预应力索进行拆除构件，以此评估该结构发生连续倒塌的风险。以松弛和崩断两种形式状态考虑预应力索构件的失效，松弛状态分析:拆除预应力索构件，预应力索构件与整体结构连接处不施加反向作用力；崩断状态分析:拆除预应力索构件，预应力索构件与整体结构连接处施加与索拉力相等的反向集中作用力。剩余结构以受恒载和活载等竖向荷载为主，荷载按照相应结构设计规范及规定取值，通过以下分析来评估其各种状态下发生连续倒塌的可能性。
[0083]对预应力索构件失效后的剩余结构取荷载动力放大系数A = 1.5,并对剩余结构进行竖向荷载1.5(恒载+0.25活载)下的静力作用分析，可以得出拆除构件后结构的破坏状态及响应，如表1，以此进行评估，分析流程如下:①整体结构模型未破坏时静力状态计算拆除相应杆件，分析剩余结构整体反应；③根据评估指标判断构件是否破坏，判断结构整体抗连续倒塌能力。这里的放大系数A也可以在1.2?1.5之间取值。
[0084]对预应力索构件逐一做失效处理并逐一对失效后的结构进行响应分析:重复的分析步骤，以得到每个预应力索处于失效状态后的张弦结构的破坏状态及响应。
[0085]2.2评估准则
[0086]在任意预应力索发生失效时防止张弦结构发生连续倒塌设计时，考虑任意预应力索失效时，剩余张弦结构在竖向荷载作用下，考虑材料进入塑性阶段，则张弦结构中梁构件的挠度控制标准见表I ;张弦结构中钢构件评判标准可统一换算为强度控制法，控制剩余预应力索不应超过其0.8的屈服强度标准值，与发生失效的预应力索相连的张弦结构的钢构件应力不应超过极限承载强度标准值，不与发生失效的预应力索相连的张弦结构的钢构件控制标准参见表2所示,其中，Wp为截面的塑形模量，W为截面模量，fyk为钢材强度标准值，所述的钢构件包括梁构件、柱构件、受拉支撑和受压支撑，并对不与预应力索相连的各类型的钢构件的敏感性指标S.1.进行控制，各钢构件敏感性指标的计算公式为
sJ.= 2°.。，λ ^是钢构件在初始状态下的承载能力，λ d是预应力索失效后钢构件的承
,U
载能力，当S.1.值> 0.75时，其应力控制标准在表I和表2的基础上乘以安全系数K为
0.85，在上述设计标准下对张弦结构中的各钢构件进行设计，从而防止在任意预应力索发生失效时张弦结构可能出现连续倒塌的情况发生，以保证张弦结构整体结构的稳定性。这里的安全系数K可以在0.75?0.85之间取值。
[0087]表1:梁构件挠度控制标准
[0088]
烧度限值钢构件类别--
预应力索崩断预应力索松弛与预应力索联系的梁构件//550//500
不与预应力索联系的梁构
//600//550
_#_
[0089]表2:不与预应力索相连的钢构件应力控制标准
[0090]
控制应力[σ]
钢构件类别-----
预应力索崩断预应力索松弛
梁构件1.5-fyk-(Wp/W)1.3-fyk-(Wp/W)
柱构件1.0lyr(WpAV)0.85-fyk-(Wp/W)
[0091]
受拉支撑Ijfyk1.25-fyk
受压支撑0.75_fyk0.6-fyk
[0092]3、正常设计状态下结构性能分析
[0093]整体结构未破坏时梁I中点竖向位移为27.48mm，梁2左端点竖向位移为15.66mm,梁3中点竖向位移为23.981mm,杆4竖向位移为19.08mm,杆5竖向位移为
15.78mm，均小于其L(跨度)/400，满足要求；柱I竖向位移为7.14mm，柱2竖向位移为
6.57mm0
[0094]索I受拉力为9199.3kN,索2受拉力为4860.9kN,索3受拉力为9099.6kN,索4受拉力为4749.8kN ;索最大应力值为242MPa，各构件应力值如表3所示，均未超过容许值，满足承载要求，位移、应力图如图6?7所示，结构单元主构件应力值见表3所示，均满足要求。
[0095]4、防连续倒塌状态下结构性能分析
[0096]4.1索I索2松弛失效
[0097]索I松弛失效后，子结构其余部分承受荷载增大，梁2左端点竖向位移增大到
16.12mm，梁I中点竖向位移增大到30.07mm ;其余构件位移变化不大，均可满足要求。索I失效后索2索3拉力均有减小，索4拉力增大4.5%，说明梁I附近的结构随索I失效影响较大，使得竖向变形增大，索I松弛失效造成索2和索3预紧力减小，索4则拉力随之增大，但索I失效仅对其周边结构影响明显，其余结构影响有限；索I失效后梁I应力值为-107.1Mpa,增大约23 %，杆4应力值为57.1Mpa,减小约50 %，杆5应力值为37.7Mpa，基本不变，所以索I失效时桁架层中梁I承担荷载较大，对索I周边构件应力值影响较大，对其余构件应力值影响有限，但均未超过构件的应力屈服值和容许值，应力重分布后整体结构可继续承载，也不会发生连续性倒塌，位移及应力图如图8?图9所示。
[0098]索2失效后，梁2左端点竖向位移为20.12mm，增大了 28.5%，杆5竖向位移为20.23mm，增大了 28.2%，其余构件位移变化不大。索2失效后，其余索力总体变化不大，索
1、索3和索4的应力值分别为233.7Mpa、244.0Mpa和122.8Mpa，变化均不大；可知索2失效对其他索的影响不大。杆2应力值变为-123.5Mpa，由原来受拉变为受压，以作为传力途径调整；仅索2附近构件梁2为96.5Mpa，增大较多，其余部分应力值影响不大。综上可知索2失效对其周边结构影响较小，较为安全，位移及应力图如图10?11所示。
[0099]4.2索I索2崩断失效
[0100]索I崩断后，梁I中点竖向位移为32.979mm，梁2左端点竖向位移为16.917臟，均有所增大；索2减小了 22.3%，索3和索4拉力影响较小；柱I及柱2应力值为-119.6Mpa和-56.3Mpa，基本不变，杆2、杆4应力值分别为119.1Mpa和-101.4Mpa，杆2增大了 61%，杆4则由原来受拉变为受压，起到支承作用，以进行传力途径调整。索I崩断造成结构单元左边部分应力重分布，桁架层梁和部分杆件应力增大，但仍在承载范围内，结构其余部分影响不大，位移及应力图如图12?13所示。
[0101]索2崩断失效后，梁2左端点的竖向位移变为26.615mm，增大了约70%，梁I中点竖向位移为27.164_，变化不大；索1、索3及索4拉力均变化不大；索1、索3和索4应力值分别为228.9Mpa、244.9Mpa和121.9Mpa，相比初始结构变化不大，梁2应力值为156.4Mpa，增大了约3.5倍；柱I和柱2应力值分别为-113.1Mpa和-70.3Mpa，变化也不大；杆I应力值为-168.7Mpa，增大了 1.75倍，其余杆件变化不大。可知索2崩断仅对其周边梁及支撑构件变形和内力影响较大，索2周边部分构件承载能力及变形仍能满足需求，且破坏后并不影响其余部分结构，不会引起连续性倒塌，位移及应力图如图14?15所示。
[0102]4.3结论与建议
[0103]综上可知，该结构在预应力索失效后主要构件有足够承载力富余量，梁构件的挠度也满足表2的要求，某预应力索失效和崩断后其余预应力索的强度未超过其0.8的屈服强度标准值，与预应力索相连的构件未超过其极限承载强度标准值，不与预应力索相连的构件经敏感度分析后其应力控制均能满足表2要求，分析所得结果参见表3、表4所示，所以可以认为整体结构能够很好的将内力和应力重分布，并在主要构件失效后有替补构件可起到承载作用，整体结构有较高冗余度，可提供多种传力途径，且在局部破坏时不会影响其他部分结构，即使某些构件如相应柱子失效，整体结构也能有稳定的承载能力，所以整体结构具有较高的防连续倒塌的能力，建议桁架层中部杆件均适当相应增大刚度，且筒内支撑强度和刚度也需加强，结构角柱周边距地面高度O?2.5m处可做防汽车冲击护栏处理。
[0104]表3:与预应力索相连构件的SI值
[0105]
σ(负号表示控制应力为压应力)/Mpa
构件 ψ Wp/W [σ] 失效前σ ----
索I失效索2失效索I崩断索2崩断索 I — 一 1670 242.0 —33 7—89
索 2 — — 1670 127.9 115.3—99.3—
索 3 — — 1670 240.4 234.3244.0224.8244.9
索 4 — — 1670 125.0 130.5122.8137.9121.9
柱 I — 1.166 251.33 -114.3 -117.1-113.9-119.6-113.1
柱 2 — 1.172 252.80 -56.0 -58.8-61.3-56.3-70.3
梁 I — Il 471.93 8/1 -107.1-93.0-132.7-93.1
梁 2 — 1.21 471.93 44.7 48.496.553.0157.0
梁 3 — I I 471.93 53.2 66.256.683.956.8
杆 I 0.8158 — 281.45 -96.5 -102.0-123.5-108.9-168.7
杆2 — — 345 73.9 92.4-123.5119,179.7
杆 3 0.9517 — 328.34 -124.3 -147.2-126.1-168.3-127.9
杆4 一 — 345 114.6 57.1112.7-101.4111.7
杆 5 — — 345 36.0 37.741.739.8-54.3
杆 6 — — 345 69.4 47.769.025.369.5
杆7 — — 345 64.8 81.064,997.964.1
[0106]表4:不与预应力索相连构件的SI值
[0107]
不与预应力索相连构件的SI值
SI值梁3 杆I 杆杆3 杆4 杆5杆6杆7柱I 枉索I
0.244 0.057 O 5υ O 1S4 -0.502 0.0470 3ΠU 乃0OU 5 O 05υ
失效索2
0.064 0.280 J b7l 0.014 -0.017 0.158-0.006 0.002-0.004 0.095
失效
[0108]
索I
0.577 0.128 Ooi^ 0.354 -1.885 0.106 -0.635 0.511 0.046 0.005
崩断索2
0.068 0.748 0 078 0.029 -0.025 508 0.001 -0.011 -0.011 0.255
崩断备注:1.索容许应力值以其0.8倍抗拉强度等级为依据；2.SK-1表示构件受力状态发生改变；-1 <SIS0表示构件的承载力减小；O <SI<0.75依表2进行判定；0.75 iS[考虑0.85的系数依表2进行判定
【权利要求】
1.建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，包括如下步骤: 步骤(I)建立分析模型，获得张弦结构的初始状态及响应:根据原结构静力荷载分析，在有限元模拟计算平台上建立张弦结构的有限元模型； 对包含预应力索的张弦结构进行预应力索未遭破坏时的静力状态分析，以初始整体张弦结构在竖向荷载作用下的静力作用分析，得出张弦结构的初始状态及响应； 步骤(2)选择具体一个预应力索做失效处理，然后对整体结构进行响应分析:即假定某个预应力索处于失效状态，分别以该预应力索松弛和崩断两种状态作为预应力索的失效状态，然后对预应力索失效后的剩余张弦结构取荷载动力放大系数A，对剩余张弦结构进行A倍竖向荷载作用下的静力作用分析，以得出该预应力索失效后的张弦结构的破坏状态及响应； 步骤(3)对预应力索构件逐一做失效处理并逐一对失效后的结构进行响应分析:重复步骤(2)，以得到每个预应力索处于失效状态后的张弦结构的破坏状态及响应； 步骤(4)进行张弦结构防连续倒塌设计:以任意预应力索失效时，剩余张弦结构在竖向荷载作用下材料进入塑性阶段的情况下，控制张弦结构梁构件的挠度；控制剩余预应力索不应超过其0.8的屈服强度标准值，与发生失效的预应力索相连的张弦结构的钢构件应力不应超过极限承载强度标准值，控制不与发生失效的预应力索相连的张弦结构的钢构件应力，并对不与预应力索相连的各类型的钢构件的敏感性指标S.1.进行控制，SI?.又0 其中，λ^是钢构件在初始状态下的承载能力，Xd是预应力索失效后钢构件的承载能力； 在上述设计标准下对张弦结构中的各钢构件进行补充设计调整，从而防止在任意预应力索发生失效时张弦结构可能出现连续倒塌的情况发生，以保证张弦结构整体结构的稳定性。
2.根据权利要求1所述的建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，其特征在于:所述步骤(I)中的张弦结构的静力状态分析为现有技术，采用已有的有限元分析软件即可，如可采用有限元软件Midas/Gen，或者采用有限元软件Etabs、或者采用有限元软件Sap2000。
3.根据权利要求1所述的建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，其特征在于:所述步骤(I)中竖向荷载为恒载+0.25活载。
4.根据权利要求1所述的建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，其特征在于:所述步骤(2)中放大系数A的取值范围为1.2?1.5。
5.根据权利要求1所述的建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，其特征在于:所述步骤(3)中所述的预应力索的松弛状态是指:拆除所选的预应力索，该预应力索与整体张弦结构连接处不施加反向作用力；所述预应力索的崩断状态是指:拆除所选预应力索，该预应力索与整体张弦结构连接处施加与预应力索拉力相等的反向集中作用力。
6.根据权利要求1所述的建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，其特征在于:所述步骤(4)中竖向荷载为恒载+0.25活载。
7.根据权利要求1至6任一项所述的建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，其特征在于:所述步骤(4)中所述的张弦结构中梁构件的挠度控制标准见表I ; 表1:梁构件挠度控制标准
烧度限值钢构件类别--
预应力索崩断预应力索松弛 与预应力索联系的梁构件//550//500 不与预应力索联系的梁构件//600//550 表I中，I为梁构件的长度。
8.根据权利要求7所述的建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，其特征在于:所述步骤(4)中，不与发生失效的预应力索相连的张弦结构的钢构件应力按表2所示的钢构件控制标准控制； 表2:不与预应力索相连的钢构件应力控制标准
控制应力[σ]钢构件类别--
预应力索崩断预应力索松弛
梁构件1.5-fyk-(Wp/W)1.3-fyk-(Wp/W)
柱构件1.0 Iyk-(WpAV)0.85-fyk-(Wp/W)
受拉支撑 1.5-fyk1.25.fyk
受压支撑 0.75%0.6-1lk 表2中，所述的钢构件包括梁构件、柱构件、受拉支撑和受压支撑，Wp为截面的塑形模量，W为截面模量，fyk为钢材强度标准值。
9.根据权利要求8所述的建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，其特征在于:所述步骤(4)中，当S.1.值> 0.75时，其应力控制标准在表I和表2的基础上乘以安全系数K。
10.根据权利要求9所述的建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，其特征在于:所述安全系数K的取值范围为0.75?0.85。
【文档编号】G06F17/50GK104213635SQ201410428900
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】区彤, 徐昕, 陈星 , 谭坚, 张连飞, 罗赤宇 申请人:广东省建筑设计研究院