从刚重比视角看美国大楼倒塌
hbduzjan
hbduzjan Lv.2
2021年06月28日 09:16:56
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美国当地时间2021年6月24日凌晨,位于迈阿密的一栋12层住宅楼发生坍塌,如下面图所示。 该大楼建于1981年,为底框 上部平板结构。有报道说,该楼建成后,一直在沉降(如下图)。从所搜集的资料上看,本楼为瞬间大部分坍塌,始点似为底部楼层。顺着这点进行探究,我们可以对大楼的坍塌做如下猜测:基础沉降使得大楼的边界约束条件发生了改变,致使大楼的整体侧移刚度持续下降,最后刚重比达到稳定极限导致结构局部或整体失稳而发生倒塌破坏。

美国当地时间2021年6月24日凌晨,位于迈阿密的一栋12层住宅楼发生坍塌,如下面图所示。

该大楼建于1981年,为底框 上部平板结构。有报道说,该楼建成后,一直在沉降(如下图)。从所搜集的资料上看,本楼为瞬间大部分坍塌,始点似为底部楼层。顺着这点进行探究,我们可以对大楼的坍塌做如下猜测:基础沉降使得大楼的边界约束条件发生了改变,致使大楼的整体侧移刚度持续下降,最后刚重比达到稳定极限导致结构局部或整体失稳而发生倒塌破坏。

也许大家会问,稳定一般属钢结构范畴,混凝土结构会发生失稳破坏吗?
大家知道,高规有一个结构刚重比的规定,它对应的即为结构的整体稳定。一般来说,混凝土结构刚度大,刚重比易于满足稳定要求。但在一些特殊情况下,结构的刚重比会发生改变,这时结构将由稳定状态进入不稳定状态。基础沉降即为这一特殊情况之一,此时结构的侧移刚度会大幅降低,致使结构刚重比下降,最后导致结构失稳破坏。
为对本文的观点提供支持,先看一个案例。这是一个脚手架,底部有一部分坐落于下部结构上。通常的计算方法是将脚手架的底部按不动铰考虑,此时计算表明脚手架是安全的。实际工程这个脚手架发生了倒塌,计算分析发现在考虑脚手架底部结构具有变形的情况下,脚手架发生了失稳破坏。
如下图,脚手架高度16m,纵距1220mm,共6跨;横距610mm,共25跨。钢材型号为S275。所有杆件截面为。计算工具:NIDA 10.0。

考虑两个计算模型,模型A对应着脚手架底部完全铰接约束,模型B考虑脚手架与下部结构协同工作。

模型A

模型B


模型A计算得到结构极限承载力系数为3.406,结构变形如下:

模型B计算得到的极限承载力系数为0.684,由于下部结构刚度的影响,底层脚手架柱子发生局部屈曲破坏,如下图:

这个算例表明,脚手架由于底部结构的变形引起侧向刚度降低,最后发生了整体失稳破坏。
下面说一下结构的刚重比。
高规以刚重比限值保证结构的稳定性,规定如下:

高规的刚重比对应着匀质悬臂杆(如下图)的欧拉临界力,并取屈曲因子为10(不考虑荷载分项系数)得到上述刚重比公式。
实际结构为超静定。当基础发生沉降时,结构底部相应部位的约束情况发生变化,此时结构侧向刚度降低,刚重比减小,最后结构发生整体失稳,导致部分或全部倒塌。
高规刚重比系数1.4对应屈曲因子10(不考虑荷载分项系数)。屈曲因子10考虑的是地震荷载情况,对于重力荷载,屈曲因子限值为4。因此,从稳定屈曲分析角度可以这样说:大楼的初始屈曲因子大于10,随着地基沉降,结构整体抗侧刚度逐渐降低,屈曲因子逐渐下降,直至突破限值4,最后导致稳定破坏。
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doushengf
2021年06月28日 15:36:58
2楼

基础沉降使得大楼的边界约束条件发生了改变,致使大楼的整体侧移刚度持续下降,最后刚重比达到稳定极限导致结构局部或整体失稳而发生倒塌破坏,谢谢楼主分享好资料谢谢啦。

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wanshuns
2021年06月28日 15:38:14
3楼

基础沉降使得大楼的边界约束条件发生了改变,致使大楼的整体侧移刚度持续下降,最后刚重比达到稳定极限导致结构局部或整体失稳而发生倒塌破坏,谢谢楼主分享好资料谢谢啦。

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jianzhudj
2021年06月28日 15:39:22
4楼

基础沉降使得大楼的边界约束条件发生了改变,致使大楼的整体侧移刚度持续下降,最后刚重比达到稳定极限导致结构局部或整体失稳而发生倒塌破坏,谢谢楼主分享好资料谢谢啦。

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jzhdajia
2021年06月28日 15:40:25
5楼

基础沉降使得大楼的边界约束条件发生了改变,致使大楼的整体侧移刚度持续下降,最后刚重比达到稳定极限导致结构局部或整体失稳而发生倒塌破坏,谢谢楼主分享好资料谢谢啦。

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结构生活
2022年07月15日 09:42:30
6楼

大楼的初始屈曲因子大于10,随着地基沉降,结构整体抗侧刚度逐渐降低,屈曲因子逐渐下降,直至突破限值4,最后导致稳定破坏。

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