极端火灾作用下典型超高层混凝土框架_核心筒结构的连续倒塌分析_英明鉴
第49卷第4期2016年4月 土木工程学报
CHINACIVILENGINEERINGJOURNAL Vol．49Apr．No．42016
极端火灾作用下典型超高层混凝土框架-核心筒 结构的连续倒塌分析 英明鉴 1 李易 2 陆新征 1 叶列平 1
（1．清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，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：911事件以来，意外荷载作用下超高层结构的连续倒塌问题日益受到关注。该文采用考虑高温作用的高性能有限单元、高温破
坏准则及生死单元技术，对极端火灾作用下典型超高层混凝土框架-核心筒结构的连续倒塌进行了分析。研究发现，该结构系统中的多层结构共同承受火灾作用时，由于火灾热膨胀变形的影响，超高层框架-核使得结构体系内不仅在水平方向发生内力重分布，而且在竖向也发生心筒结构产生类似桁架拱的整体受力机制，
内力重分布。楼盖系统的热膨胀和破坏失效对外围柱的破坏具有重要影响，最终造成外围柱由于较大的二阶效应触发了整体结构系统的连续倒塌。而发生受弯破坏，
关键词：超高层混凝土框架-核心筒结构；极端火灾；连续倒塌；数值模拟；受力机理；倒塌模式中图分类号：TU318TU375．4文献标识码：ADOI:10.15951/j.tmgcxb.2016.04.005 131X（2016）04-0048-09文章编号：1000-
Progressivecollapseanalysisofatypicalsuperhigh-riseconcrete frame-coretubestructureexposedtoextremefire YingMingjian1 LiYi2 LuXinzheng1 YeLieping1
（1．KeyLaboratoryofCivilEngineeringSafetyandDurabilityoftheMinistryofEducation，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；2．KeyLaboratoryofUrbanSecurityandDisasterEngineeringoftheMinistry
ofEducation，BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China） Abstract：Sincethe“9·11”event，
theprogressivecollapseofsuperhigh-risestructuresunderincidentalloadshasbeengreatlyconcerned．Inthispaper，
thehighperformancefiniteelementsandtheirfailurecriteriabothconsideringhightemperatureeffects，
aswellastheelementaldeactivationtechnologyareadopttoanalyzetheprogressivecollapseofatypicalsuperhigh-riseconcreteframe-coretubestructureexposedtoextremefire．Itcanbefoundthatwhenthemulti-storeyfloorsysteminthebuildingstructureissimultaneouslyexposedtofire，
itperformsanoverallmechanismsimilarwithVierendeelactionduetothethermalexpansiondeformation．Thatleadstotheredistributionoftheinternalforcesthroughoutthestructuralsystemnotonlyinthehorizontaldirectionbutalsointheverticaldirection．Thermalexpansionandthedestructionofthefloorsystemhaveanimportantinfluenceonthefailureofperipheralcolumns，
whicheventuallyleadstotheflexuraldamageofthecolumnsduetothelargesecond-ordereffect，triggeringtheprogressivecollapseofthestructuresystem． Keywords：superhigh-riseconcreteframe-coretubestructure；extremefire；investigation；resistancemechanism；collapsemodeE-mail：yili@bjut．edu．cn
结构在意外事件下的连续倒塌问题受到了广泛重［1-3］ 。超高层建筑的结构体系规模大、视结构形式和
其连续倒塌机理需要专门进行研究。目前受力复杂，［4］［5］［6］
对于地震、爆炸以及风灾等引起的超高层结构连续性倒塌问题均有学者开展了研究，而对于火灾作用下超高层结构的连续倒塌问题的研究则较少，仅有
基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）（2012CB719703）、国家自
然科学基金（51222804）
作者简介：英明鉴，硕士研究生12-08收稿日期：2014- progressivecollapse；numerical 引言
1968年英国RonanPoint公寓燃气爆炸倒塌事故 “911”和2001年事件世贸双塔火灾倒塌事故使建筑 少数学者对超高层钢结构体系中局部子结构的火灾 Usmani等人［7］分析了倒塌进行了简化分析。2003年， 世贸中心局部简化模型的火灾倒塌机理。2009年，Fletcher［8］通过简化二维模型对马德里温莎塔的火灾
第49卷第4期英明鉴等·极端火灾作用下典型超高层混凝土框架-核心筒结构的连续倒塌分析 ［9］ ·49· 通过平面模
型分析了火灾下超高层建筑的两种倒塌模式，并提出了相关设计方法和建议。
超高层混凝土结构在火灾下的连续倒塌分析需要考虑以下三个问题：①混凝土构件内分布不均且随着时间变化的温度场；②高温下复杂的混凝土本构模 ［10］
型；③静-动力交替的火灾倒塌过程。其中，前两个问题在结构的常规抗火性能分析中都会遇到，第三个
问题则是结构火灾倒塌分析中的特殊问题。通常情况下，结构构件在火灾作用下强度持续下降，当火灾进行一段时间后，部分结构构件才会破坏失效，进而触发结构系统的连续倒塌。在连续倒塌被触发前，火
结构处于准静态的受力过程，动灾的高温作用缓慢， 结构处力效应可以忽略不计；而在连续倒塌触发后，
于动态的连续倒塌过程，强烈的动力效应使得结构构件的内力和变形比静力过程要大一些。
如何准确高效的考虑上述三个问题是进行超高层混凝土结构火灾连续倒塌分析的关键。李易等人开发了考虑温度作用的纤维模型和分层壳模型，结合构件高温破坏准则和生死单元技术实现了钢筋混凝 ［11］
土整体结构火灾倒塌的高效模拟，并对某实际倒塌 ［12］
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