新论文：中柱失效后板柱结构连续倒塌传力机理研究
中柱失效后板柱结构连续倒塌传力机理研究
Load Transfer and Collapse Resistance of RC Flat Plates under Interior Column Removal Scenario
Journal of Structural Engineering-ASCE
https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0002090?af=R
一、研究背景
混凝土板柱结构（也称为无梁楼盖结构）是由混凝土板和柱构成的结构体系。因为结构高度小，建造施工方便，使用空间大等优点，在国外多层住宅、办公/零售建筑和停车场等建筑中非常流行。据澳大利亚ADG（Alliance Design Group）及Robert Bird Group等咨询公司统计，澳洲主要城市大约80-90%的高层住宅采用该结构体系。
图1 板柱结构体系
板柱结构和框架结构相比，其延性和抗力较低，特别是其板柱节点处易发生冲剪破坏，因此在出现意外事件引起局部破坏后，发生连续倒塌潜在风险更大。最著名的板柱结构连续倒塌事故是发生在1995年的韩国首尔Sampoong百货大楼连续倒塌事故。该百货大楼在营业过程中突然发生连续倒塌，造成502人死亡，937人受伤。事故调查报告表明，该大楼是在使用过程中因不当改造导致超载，在局部板柱节点发生冲剪破坏后失效范围迅速蔓延，最后导致重大灾难（图2，图3）。国内外历史上也多次发生板柱结构连续倒塌破坏的工程事故（图4，图5）。
图2 韩国Sampoong百货大楼连续倒塌事故(图片来源：www.reddit.com)
图3 板柱结构连续倒塌破坏
图4 国外板柱结构连续倒塌事故（图片来源：www.corrosionengineering.co.uk）
图5 国内板柱结构连续倒塌事故（图片来源：土木在线）
目前对板柱结构的研究主要还是集中在节点区冲剪破坏的研究上。对(1)冲剪破坏发生后节点区的剩余承载能力，(2)连续倒塌过程中板柱结构的内力重分布机理等的认识都还比较有限。因此，2015年，澳大利亚Griffith University 的Hong Guan教授带领的团队和清华大学一起申请到Australian Research Council Discovery Project的资助，计划对板柱结构的连续倒塌机理进行深入研究。项目课题组在澳大利亚和北京分别开展了系列试验研究。其中，2016年10月课题组团队在澳大利亚Griffith University完成了本项目的首个板柱子结构连续倒塌试验，取得了预期的效果（图6）。本文对该试验的主要结果进行了介绍。
图6 2016年10月课题组团队在澳大利亚Griffith University完成了本项目的首个板柱子结构连续倒塌试验
二、研究内容
试验的原型结构为三层板柱结构（图7），取出其底层中间部分子结构进行试验研究（图8）。
图7 原型结构
图8 试验子结构
本次试验有以下三个特点：
1 先在楼面上布置均布荷载，然后对中柱柱顶施加集中力，发生冲剪破坏后继续加载直至中柱节点区发生彻底破坏（图9）；
2 在周围8个柱子柱脚安装了力传感器，量测加载过程中各个立柱的内力变化情况（图10）；
3 进行了两个同样的构件试验，以检验试验结果的可重复性。
图9 试验试件和加载模式
图10 柱脚反力量测装置
试验得到的荷载位移曲线如图11所示，两个试件的重复度还是比较好的。构件在200多mm时冲剪破坏彻底发生。但是非常有意思的是，在冲剪破坏发生后，构件仍可通过拉膜机制、悬链线机制和销栓机制继续承受荷载，结构仍有一定的内力重分布能力（图12）。这一能力对结构的抗连续倒塌具有重要价值。
图11 荷载位移曲线
图12 典型破坏模式
在试验过程中，我们同时观测了周围柱子柱脚的竖向反力（图13）。结果表明，90%的竖向反力由4个边柱传递，而4个角柱能分担的轴力很少。因而4个边柱进一步发生冲剪连续倒塌的风险较大。
图13 柱脚反力
本文作者 薛慧中
另外这里打一个小广告，本项目澳大利亚方面Griffith University计划招收一名博士后（合同期一年），开展板柱试验的有限元分析工作。有意的请和我们联系。luxz@tsinghua.edu.cn。工作地点：澳大利亚黄金海岸
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