某框支砌体结构火灾倒塌事故的模拟与分析_李易_陆新征_英明鉴_叶列平_闫维明
工程力学—陆新征—清华大学—地震下高层建筑连续倒塌数值模型研究(101125)
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图 1 截面纤维分布 Fig.1 Fibers of the section
TECS 程序中，对混凝土材料，在 Légeron 和 Paultre 模型[18]的基础上加以改进，考虑了约束效 应、裂面效应、滞回效应等影响[19]，其单轴应力应变关系曲线如图 2，可以较好反映约束效应、软 化行为以及反复受力下的滞回和刚度退化的特性； 对于钢筋材料，在 Légeron 等模型[7]的基础上进行 改进，可反映钢筋单调加载时的屈服、硬化和软化 现象，并合理考虑了钢筋的 Bauschinger 效应(如 图 3)，其与钢筋的材性试验结果吻合良好[20]。大量 计算结果表明，该纤维模型和钢筋混凝土杆系构件 实验结果吻合良好[19,21―22]。
倒塌过程中，构件碎片的冲击和堆载对下部结 构的破坏影响很大，为了实现上述过程的模拟，需 要在模型中定义接触关系。利用 MSC.MARC 的自 体接触，可以实现倒塌过程中结构碎片的接触 模拟。 1.5 算例验证
工程力学
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连续性倒塌破坏的原因和破坏过程对提高结构抗 震能力具有重要意义。由于结构在强震作用下的连 续性倒塌破坏往往是由最薄弱的局部构件破坏所 控制，其余构件的抗震能力不能得到充分利用，因 此如何确定整体结构中的薄弱部位和破坏原因，并 采取相应措施予以增强就成为提高和改善整体结 构抗地震倒塌能力的重要依据。并且通过对一些典 型常见的结构形式进行深入研究，提高薄弱部位的 抗震能力，也有助于改进和完善其抗震设计和抗震 构造。然而，由于结构的复杂性以及地震作用的随 机性，目前尚无简单的确定结构薄弱部位的方法。 对于重要结构工程，实际工程中有时采用缩尺模型 的振动台试验的方法来确定结构薄弱部位，但这种 方法耗时费力，且缩尺模型振动台试验本身也存在 许多问题(如质量不够、P-∆效应不准确等)。另一种 方法是通过高精度结构数值模型，输入地震波进行 结构倒塌分析，这种方法是近年来结构抗地震倒塌 研究发展的主要趋势，但该方法的主要问题是大型 复杂结构的数值模型和地震动输入。国内外很多学 者在该问题上进行了大量的研究[1―11]。
砌体结构工程质量事故的分析处理与研究
2．3 收缩和温度变化引起了裂缝 热胀冷缩是绝大多数物体的基本物理性能，砌体也不例外。由于屋盖系统温 度变化出会使砖墙产生裂缝，由于温度变化不均匀使砌体因不均匀收缩产生 裂缝，或由于钢筋混凝土圈梁与砖墙伸缩量不同也会产生裂缝。
2.3.1 屋盖系统温度变化时使墙体产生的裂缝 这类裂缝较典型和普遍的是建筑物（特别是纵向较长的）顶层两端内外纵墙 上的斜裂缝，其形态呈 “八”字或 “X”型，且显对称性，但有时仅一端 有轻微者仅在两端1～2个开间内出现，严重者会发展到房屋两端1/3纵长范 围内，并由顶层向下几层发展。此类裂缝对那种刚性屋面的平屋顶，未设变
2．4 施工质量不合格，建筑材料使用不当引起了裂缝 砌块本身的质量不合格，砂浆强度不够，这些都会造成整个砌体的强度不够， 而造成砂浆强度偏低的原因是使用了不合格的水泥，施工配合比不准确， 施工过程中不安设计留槎及放置拉结筋等，不少砌体结构由于使用渣砖而 产生裂缝，由于渣砖的原材料及生产工艺与普通粘土砖不同，其线膨胀系 数与粘土砖亦不同。通过对诸多开裂砌体的统计分析，使用渣砖的砌体极 易产生裂缝。不少砌体结构由于墙体布置不当，构造柱设置不合理，梁垫 设计不合理等造成砌体的开裂。
2．2 地基不均匀沉降引起了裂缝 当地基发生不均匀沉降后，沉降大的部分砌体与沉降小的部分砌体会产生相 对位移，从而使砌体中产生附加的拉力或剪力，当这种附加内力超过砌体的 强度时，砌体中便产生相对裂缝。这中裂缝一般都是斜向的，且多发生在门 窗洞口上下。这种裂缝的特点是： （1）裂缝一般呈倾斜状，说明系因砌体内主拉应力过大而使墙体开裂； （2）裂缝较多出现在纵墙上，较少出现在横墙上，说明纵墙的抗弯刚度相 对较小； （3）在房屋空间刚度被削弱的部位，裂缝比较集中。
2.3.3 由于钢筋混凝土圈梁与砖墙伸缩量不同产生的裂缝 当材料随时间发生收缩变形和自然界温度发生变化时，由于钢筋混凝 土和墙砌体材料收缩系数和线膨胀系数的不同，会在房屋的墙体及 楼盖结构中引起因约束变形而产生的附加应力，当这种附加应力过 大时会在墙体上产生局部竖向裂缝。
汶川地震建筑震害调查分析
汶川地震建筑震害调查分析发言者：叶列平前面听了那么多精采的报告，下面我就这次汶川地震中的框架结构中的很多问题做一些探讨。
这个图片是一个小学，这个是有外廊的，有构造柱的，这种新的抗震规范设计的楼多了一个抗震的层次，性能就比较好。
所以对于未考虑设防的砌体结构，基本都是唐山地震的重复，按照89规范以后设计的，采取圈梁和构造柱措施的砌体结构，大多震害比较轻，很少发生脆性破坏而倒塌，因此砌体结构主要是如何落实抗震规范执行的问题，特别是落实圈梁和构造柱抗震措施，需要进一步研究的工作可能并不多。
主要是落实的问题，设计、施工、执行规范的力度问题。
框架结构的震害问题很多，前面有很多的介绍，最主要的问题是填充墙破坏严重，未实现强柱弱梁。
框架结构的震害大概有这么几个问题，一个是维护墙和填充墙的严重开裂和破坏，填充墙造成短柱剪切破坏，柱剪切破坏，梁柱节点破坏等等。
这是填充墙破坏的照片，不多说了，会造成一定的人员伤亡，造成恐惧的心理，修复工作量很大，费用很高，规范对可修没有明确定义，这是错层造成短柱剪切破坏的照片，其实只要预留缝就可以解决这样的问题，对于这样没有办法避免的短柱，可以采用连续箍筋约束混凝土的办法增强，这个是连续箍筋约束混凝土的柱子，这个是一根钢筋，施工其实也很方便，这是非常好的一个已经成熟的技术，但是在我们国家一直推广不开，不知道什么原因，钢的外套管的柱子的问题，概念很简单，这是箍筋约束混凝土，可以防止外面的保护层脱落，可以很容易的提供有效的约束，并且还可以作为模板用，这个钢的外套和钢板混凝土概念不一样，只是在柱身这一段里面有一个钢的外套管，这个延性很好，可以防止短柱的剪切破坏。
相关的研究还不是很多。
这是柱的各种各样的剪切破坏的情况，这个照片也是一个有代表性的，箍筋不少，但是都放在了底下，这个是偷工不减料，这是施工管理的问题。
强剪弱弯的问题，即使柱端先发生弯曲破坏形成塑性铰，巨大的轴压易使混凝土压溃，严重削弱柱端抗剪能力。
砌体结构工程事故的分析与处理方法
砌体结构工程事故的分析与处理方法摘要：我国很多建筑工程中，钢筋混混凝土结构与砌体结构是建筑工程中最主要的结构施工内容，尤其是砌体结构在很多建筑工程中应用广泛，主要是因为砌体结构具有：材料获取方便、制备成本低廉、防火性能好、施工简单便利等优点和特点。
虽然砌体结构拥有很多的优点与特点，比较适合建筑工程使用，但是在砌体质量、施工技术、质量控制等方面若是存在不合理的情况，很容易造成工程事故发生，本文针对砌体结构工程事故的分析与处理方法进行探析。
关键词：砌体结构；工程事故；因素分析；处理方法砌体结构已经在我国的各大小型建筑工程中逐渐扩大应用范围，并在很大程度上可以节省施工成本、提升结构性能，良好的应用效果让砌体结构发展前景越来越广阔，但是由于在砌体结构应用中，常常会发生一些工程事故，又影响到了其砌体结构的发展，因此，加强对砌体结构工程事故的分析非常重要，并结合现代科学施工技术与科学建筑理论的进步与经验，实施对砌体结构工程事故的处理方法研究，并提出有效的参考建议。
一、施工方面引起结构质量事故的主要因素1、施工材料质量不过关材料质量一旦存在问题，就会直接影响到建筑工程整体的结构质量，进而威胁到建筑工程的使用效果与使用安全性。
砌体结构施工也是一样如此，若是在材料选用、调配、拌制等方面存在不科学、不合理的情况，就会使得材料性能与施工设计中的结构性能要求不相符，进而，在施工后，就会发生结构质量问题，砌体结构的材料适量问题常常表现在结构裂缝、沉降、渗透等方面。
进而结构性能下降，工程故事也就很容易发生了。
目前，有很多建筑工程在材料选用方面因各种原因，如：资金不足、设计不合理或者相关检查工作不到位等，导致材料质量无保证，进而施工质量也不能得到基本保障。
2、施工方法不合理砌体结构工程事故因素，除了材料问题外，更重要的一点是施工方法的选用与设计。
很多建筑工程中，对施工方法的实际性应用是否适当欠缺考虑，甚至有很多施工人员认为自己的施工经验已经很丰富，对类似的施工一看就懂，所以无需再次查看施工图或者结合设计要求进行施工方案重新研究，只需要利用以往的施工方法即可，但事实上，很多施工内容，虽然有着很多相同的地方，但每一项建筑工程的具体内容多少还存在一定的差异，任何施工材料、结构标准以及结构形式的改变，都需要重新制定科学的施工方法。
论砌体结构地震中倒塌的原因剖析
论砌体结构地震中倒塌的原因剖析摘要：在地震作用下，建筑结构会出现损伤，导致建筑被破坏。
因此，建筑的设计过程中，应加强抗震设计。
建筑性能化设计主要研究建筑构造的延性，即地震作用力下建筑的不断裂性。
基于此，本文通过分析结构设计，阐述建筑的延性在抗震性设计中的作用，分析提高建筑抗震性能化设计的要点。
关键词：砌体结构；地震；倒塌的原因引言砌体结构具有取材方便、造价便宜、耐久性和耐火性好的特点，在农村房屋结构中大量存在。
由于砌体材料的脆性较大，使得砌体结构的抗震性能较差。
已有震害研究表明，６．０级及以上强烈地震对农村砌体结构具有很大的破坏性。
１９７５年海城地震、１９７６年唐山地震和２００８年的汶川地震中，农村砌体结构房屋的破坏非常严重［１－３］。
强烈地震通过地震波释放出能量，使地表产生剧烈运动和变形，具有随机突发、区域特性明显、破坏范围大和难以预测的特点。
中国地处世界两大地震带（环太平洋地震带和欧亚地震带）之间，地震活动频繁，大多数地区都爆发过强烈地震。
其中，很多地震重灾区发生在离震中较近的农村地区，因此，对农村房屋进行抗震评定是广大土木科技工作者首要解决的问题。
笔者认为，对结构进行抗震评定应考虑结构构件的重要性问题。
地震作用下，不同种类、不同部位的构件对结构整体的影响程度会有差异，如果某个构件的失效较容易导致整个结构的破坏，则该构件在结构中的作用也就相对重要，这便是构件的重要性问题。
一、建筑结构设计概述建筑结构设计是结构设计的重要组成，包括上部结构设计、基础设计2种。
前者涵盖了框架结构、砌体结构、砖混结构、剪力墙结构、筒中筒结构、框架-核心筒结构、轻钢结构、框架-剪力墙结构、钢结构等多种类型；后者需要依据工程地质勘察报告中涉及的上部结构类型、上部结构荷载效应，验算地基承载力、基础内力、配筋，确定基础底面积及必要的构造措施。
除此之外，在地质勘察报告分析过程中，设计人员还需要清晰判定地质资料中对场地的评价、基础选型的建议，在对场地初步了解的基础上，结合地质剖面图、各土层物理指标，对场地的土层分布、地质结构以及场地稳定性、均匀性进行进一步评价，为基础形式确定以及地基持力层沉降数据、基础不利地质情况分析提供依据。
12-孙雷——砌块墙体开裂过程数值模型及模拟分析
般认为砌块砌体的开裂多由砂浆开裂引起。取砌块砌
体的受拉、受压弹性模量相同，砌体一旦开裂即进入
塑性阶段，其受拉应力-应变全曲线如公式（3）、（4）
所示[9]:
当 0 时， / E
（3）
当 0 时，
/ ftm ( / t ) 2 / t -1 1.7 + / t
SUN Lei1, WANG Shaojie2, LIU Fusheng1*, CUI Zhaoyan1
(1. Water Conservancy and Civil Engineering College，Shandong Agricultural University，Tai’an 271018, China；
were selected as research subject, and the numerical simulation of the walls fracture process was carried out by adopting the simplified micro-modeling technique and the cohesive surface model, in which the bonding strength, damage and slip between the interactive interfaces were taken into account. Three iterative algorithm were discussed，and the main factors related with the shear strength and fracture patterns, namely compressive loads, aspect ratios and the mortar strength, were analyzed. In addition the numerical simulation results were compared against building damages in the Wenchuan earthquake. The results indicted that compressive loadings and aspect ratios change the cracking loads and fracture patterns significantly，and the mortar strength plays vital parts on the integral working performance. The simulation can accurately reflect the crack initiation, propagation until rupture through the whole wall，and the results are in good agreement with building damages in the Wenchuan earthquake. The method and conclusion can provide beneficial references for in-depth numerical simulation of masonry wall fracture process and structural reliability analysis. Keywords : cohesive surface model；nonlinear contact；fracture patterns；numerical simulation
某超高层混凝土结构火灾作用下的力学响应分析_英明鉴_李易_陆新征_叶列平_闫维明
摘
要：火灾是高层建筑安全的主要威胁之一。建筑物在火灾作用下的力学响应是整体结构的行为，其主要特点
是结构系统内受火区域子结构的刚度和承载力随火灾的发展而变化，进而引起结构体系内的内力重分布。目前， 针对高层结构构件的抗火性能已有相关研究开展，而对于高层混凝土结构的整体抗火性能方面的研究还并不多 见。该文采用考虑高温作用的纤维梁和分层壳模型，对某超高层建筑结构进行了整体结构的抗火分析。通过模拟 超高层结构不同部位在标准升温曲线作用下的整体结构响应，比较分析了火灾作用下超高层结构的抗火性能。最 后，采用 Pushdown 方法分析了火灾作用下结构的抗倒塌性能。 关键词：高层混凝土结构；抗火性能分析；有限元模型；纤维梁；分层壳 中图分类号：TU375 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.05.0435
Abstract:
Fire is oneຫໍສະໝຸດ of the main threats to the safety of high-rise structures. The mechanical response of a
building under fire is the behavior of the overall structure of which the main feature is that the structural stiffness and bearing capacity of heated sub-structures vary with the fire development and in turn lead to the redistribution of the internal forces within the structural system. Currently, the relevant researches about the fire resistance of structural members of high-rise structures have been performed, but the study of the overall fire resistance performance of high-rise concrete structures is rare. In this paper, the fiber beam model and the multi-layer shell model that allow for the effect of high temperature are used to analyze the overall fire resistance performance of a high-rise concrete structure. Through simulating the different parts of the overall structure under the standard fire scenario, a comparative analysis of the fire resistance of super tall structures is taken. Finally, Pushdown method is used to analyze the collapse-resistant capacity under fire. Key words: high-rise concrete structure; fire response analysis; finite element model; fiber beam; multi-layer shell
2011某八层混凝土框架结构火灾连续倒塌模拟_李易
第28卷增刊I V ol.28 Sup. I 工 程 力 学 2011年 6 月 June 2011ENGINEERING MECHANICS53———————————————收稿日期：2010-10-24；修改日期：2010-12-16基金项目：国家科技支撑计划项目(2006BAJ06B06，2006BAJ03A02-01)；“城市与工程安全减灾教育部重点实验室开放基金项目、北京市重点实验室开放基金项目”(EESR2010-03)；长江学者和创新团队发展计划项目(IRT00736)作者简介：*李 易(1981―)，男，湖北人，博士生，主要从事混凝土结构连续倒塌模拟与设计方法的研究(E-mail: yili07@)；陆新征(1978―)，男，安徽人，副教授，博士，所长，主要从事结构非线性计算和仿真研究(E-mail: luxz@)；任爱珠(1946―)，女，浙江人，教授，博士，主要从事计算机火灾模拟、城市防灾减灾方面的研究(E-mail: raz-dci@)； 叶列平(1960―)，男，江苏人，教授，博士，主要从事混凝土结构，地震工程研究(E-mail: ylp@)； 文章编号：1000-4750(2011)Sup.I-0053-07某八层混凝土框架结构火灾连续倒塌模拟*李 易1，陆新征1，任爱珠1，叶列平1，陈适才2(1. 清华大学土木工程系土木工程安全与耐久教育部重点试验室，北京 100084；2. 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124)摘 要：为了模拟火灾下结构倒塌破坏行为，需要开发能够反映结构火灾整体行为的高效数值模型。
该文基于纤维梁模型和分层壳模型开发了混凝土框架火灾倒塌分析程序，对程序中采用的材料高温力学模型进行了分析与检验，并通过对构件抗火性能试验的模拟验证了程序的计算精度。
最后，该文利用该倒塌分析程序对一个八层框架结构的火灾倒塌过程进行了模拟，分析了结构在火灾下的倒塌机理。
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THE SIMULATION AND ANALYSIS OF THE COLLAPSE OF A FRAME-SUPPORTED MASONRY STRUCTURE UNDER FIRE
LI Yi1 , LU Xin-zheng2 , YING Ming-jian2 , YE Lie-ping2 , YAN Wei-ming1
倒塌，并最终导致整体结构的灾难性破坏[1]。国际 上自 20 世纪 80 年代就已经开展了整体结构在火灾 下响应的研究，爱丁堡大学历时十几年先后进行了
工
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七次足尺火灾试验[2
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，揭示了火灾下结构响应的
柱配筋如表 1 所示，各构件的编号如图 2 所示。楼 板未与框架整体现浇。
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复杂变化规律以及结构构件高温变形的机制，并得 出基于构件的抗火试验不能完全反映结构真实的 火灾行为的结论。该结论有力地论证了整体结构抗 火分析的重要性。 整体结构足尺火灾试验是研究结构火灾响应 的一个非常直观而且有效的方法，但因投入巨大， 且试验、 数据量测都比较困难， 故而难以大量开展。 随着计算机能力和计算力学的不断发展，数值模拟 成为研究整体结构火灾响应的有效途径。目前对钢 结构以及以钢结构为主体的组合结构火灾下的数 值模拟研究已经比较成熟[4
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图 2 底层框架梁柱构件编号 Fig.2 The name of beams and columns on the bottom story
1.2
上部砌体结构 上部砌体结构采用混凝土砌块，墙厚 190mm，
其中 2 层~3 层采用混凝土实心砌块； 4 层~8 层采用
摘
要：火灾下建筑结构的倒塌是整体结构系统的力学行为。由于整体结构火灾试验难度较大，数值模拟是研究
整体结构火灾行为的重要手段。该文采用考虑高温作用的纤维梁和分层壳模型以及生死单元技术，对一实际框支 砌体结构的火灾倒塌事故进行了分析，模拟了整体结构在火灾作用下的倒塌过程，指出了引起结构火灾倒塌的关 键原因，并根据数值分析结果对火灾下抗连续倒塌设计提出了改进建议。 关键词：火灾倒塌；框支砌体结构；数值模拟；纤维梁；事故分析； 中图分类号：TU318; TU375.4 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0294
Fig.3 图 3 火灾温度分布和倒塌区域 The temperature distribution of the fire and the final collapsed region
代过程中，THUFIBER-T 接收 MSC.MARC 平台传 递的单元截面变形增量 ( 包括轴向和转动变形 ) 。 THUFIBER-T 通过平截面假定计算每个纤维的轴 向应变，然后迭代计算截面上所有纤维的应力增量 和切线刚度，然后集成获得截面的内力增量和刚度 并返回给 MSC.MARC 平台，MSC.MARC 平台进 行单元和整体结构的组装和计算 [11] 。分层壳单元 采用 MSC.MARC 中的壳单元和分层材料相结合来 实现，其中热膨胀应变和高温本构关系采用 MSC.MARC 中的模型，瞬态热应变和热徐变通过 二次开发将加入到总应变中[11]。通过和各类典型构 件抗火性能试验结果的对比分析表明[11]，上述模型 能够较为准确的模拟钢筋混凝土构件在高温下的 力学行为，同时具有较高的计算效率，满足整体结 构火灾倒塌模拟的需要。 2.2 非受火区域构件的数值模型 非受火区域的梁柱构件采用普通纤维梁单元 模拟，填充墙采用普通分层壳单元模拟。已有研究 表明这些模型在动力倒塌分析中具有较高的精度 和效率[13]。
，例如 Sun 等[6]对钢
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结构火灾倒塌的模拟。而对于钢筋混凝土结构，由 于其构件截面的温度场分布极不均匀且随着时间 不断变化，且高温下混凝土的本构模型相对复杂， 从而导致其结构火灾反应分析相对困难。 Foster 等[7] 采用数值方法研究了钢筋混凝土局部受火子结构 的力学行为。Mostafaei[8
(1. Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education, College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry, Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing. 100084, China)
Abstract:
The fire-induced collapse of building structures is the mechanical behavior of entire structural
systems. Due to the difficulty in the fire test for overall structural systems, numerical simulation is an important method to study the global behaviors of structures under fire. The fiber beam model, multi-layer shell model and elemental deactivation technology that allows for the effect of high temperature are used to simulate a real fire-induced collapse accident of a frame-supported masonry building. The primary reason of the collapse is pointed out. Design recommendations to improve of the progressive collapse resistance of building structures are also proposed based on the numerical results. Key words: fire-induced collapse; frame-supported masonry structure; numerical simulation; fiber beam; failure analysis 自“9・11”事件以来，火灾下建筑结构的连续 倒塌问题引起了人们的广泛关注。美国纽约世贸中 心双塔的倒塌表明：火灾可以引起建筑结构的初始
第 31 卷第 2 期 2014 年 2 月
Vol.31 No.2 Feb. 2014
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ENGINEERING MECHANICS
文章编号：1000-4750(2014)02-0066-07
某框支砌体结构火灾倒塌事故的模拟与分析
李 易 1，陆新征 2，英明鉴 2，叶列平 2，闫维明 1
2. 清华大学土木工程系土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084) (1. 北京工业大学建筑工程学院城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124；
均匀温度场可通过细分单元进行考虑。
(a) 纤维梁单元
(b) 分层壳单元 Fig.4 图 4 纤维梁和分层壳单元 The fiber beam element and multi-layer shell element
对底层框架的受火分析采用了清华大学土木 系 开 发 的 基 于 MSC.MARC 的 火 灾 纤 维 梁 程 序 THUFIBER-T。在火灾受力分析中，THUFIBER-T 可以根据温度场分析结果赋予纤维不同的温度变 化曲线来模拟截面上的不均匀温度场分布。每次迭
1 工程和火灾概括
该结构为一 8 层 RC 底框砌体结构，结构总高 25.8m， 其中底层 RC 框架结构层高 4.8m， 2 层~8 层 砌体结构层高 3m。底层结构用途为仓库，存放有 大量聚乙烯薄膜、尼龙绳等易燃品，上部结构用途 为民用住宅。在一次大型火灾中该结构出现了大范 围的整体结构火灾倒塌。 1.1 底层结构 底层 RC 框架结构的布置和构件尺寸如图 1 所 示，其中未标注的柱尺寸均为 500mm×500mm，未 标注的梁尺寸均为 400mm×1300mm。梁柱均采用 C30 混凝土，钢筋采用热轧带肋钢筋。底层框架梁
―9]
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Fig.1
图 1 底层结构布置图 /mm The layout of the bottom story of the structure