關(guān)于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法及國(guó)外規(guī)范的探討

韓 嘯 李成華

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

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關(guān)于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法及國(guó)外規(guī)范的探討

韓 嘯 李成華

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

介紹了連續(xù)倒塌的概念，從概念設(shè)計(jì)法、拉結(jié)構(gòu)件法、拆除構(gòu)件法、關(guān)鍵構(gòu)件法四方面，分析了建筑結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)方法，并探討了國(guó)外抗連續(xù)倒塌的規(guī)范要求，以供參考借鑒。

結(jié)構(gòu)，連續(xù)倒塌，概念設(shè)計(jì)法，拉結(jié)構(gòu)件法

0 引言

以1968年發(fā)生在英國(guó)的Ronan Point倒塌事件為標(biāo)志，結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)越來(lái)越多的得到重視，一些國(guó)家開始建立結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的規(guī)范并給出具體的一些設(shè)計(jì)方法。隨后美國(guó)的Alferd P Murrah州政府大樓樓板倒塌以及“911”世貿(mào)中心雙子大樓倒塌為另外兩個(gè)新階段的標(biāo)志，把抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)研究推向了新的高潮。近幾年來(lái)由于地震、恐怖襲擊、意外爆炸事件的發(fā)生引起的建筑倒塌造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失慘重，所以如何避免建筑物的嚴(yán)重破壞，保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全得到重視。隨著科技的發(fā)展，建筑采用的材料種類也越來(lái)越多：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)，材料的性能也有著不同的差別，在抗連續(xù)倒塌方面也有不同的性能表現(xiàn)。

本文將對(duì)當(dāng)前主要的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法以及對(duì)國(guó)內(nèi)外的規(guī)范進(jìn)行介紹。

1 連續(xù)倒塌的概念

連續(xù)倒塌的定義在各國(guó)的規(guī)范都略有不同，但含義基本一致，大部分專家學(xué)者還是傾向于美國(guó)土木工程協(xié)會(huì)(ASCE7-10)中的定義：結(jié)構(gòu)在初始正常的使用狀態(tài)下，由于突然的荷載增大超出了局部結(jié)構(gòu)的承載力，構(gòu)件沿局部破壞進(jìn)而傳遞給四周，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效坍塌或是不成比例的部分倒塌[1]。

2 抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法

2.1 概念設(shè)計(jì)法

這里說的概念設(shè)計(jì)是指從結(jié)構(gòu)整體的冗余度、整體構(gòu)造和結(jié)構(gòu)延性等方面著手來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌的能力。概念設(shè)計(jì)無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的設(shè)計(jì)規(guī)范中都有很重要的位置，具體來(lái)說就是要使用構(gòu)件連接的方式來(lái)傳遞豎向荷載，當(dāng)部分的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)，荷載可以順利傳遞給剩余結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)仍能保持穩(wěn)定狀態(tài)。如果設(shè)計(jì)已經(jīng)考慮了地震作用的影響，則結(jié)構(gòu)本身就具有一定的抗連續(xù)倒塌的能力，若沒有考慮地震作用，在設(shè)計(jì)時(shí)就要對(duì)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)連續(xù)倒塌的情況進(jìn)行考慮，對(duì)構(gòu)造加強(qiáng)錨固連接措施以及在必要位置提高適當(dāng)?shù)呐浣盥省?/p>

概念設(shè)計(jì)法包含的主要內(nèi)容：

1)提高結(jié)構(gòu)整體的冗余度，保證結(jié)構(gòu)布置合理；

2)保證結(jié)構(gòu)的多荷載傳遞路徑；

3)考慮結(jié)構(gòu)的整體性；

4)將反向荷載考慮進(jìn)去；

5)樓板和梁發(fā)揮懸鏈線作用，對(duì)結(jié)構(gòu)連續(xù)性配筋；

6)設(shè)計(jì)時(shí)使墻能承受橫向荷載，對(duì)墻所能承受的荷載極限進(jìn)行驗(yàn)算[2,3]。

2.2 拉結(jié)構(gòu)件法

在結(jié)構(gòu)的部分豎向支撐失效后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部依靠現(xiàn)有的構(gòu)件進(jìn)行拉結(jié)，這樣可以提供有效的荷載多傳遞路徑。根據(jù)拉結(jié)方位的不同，可以分為：內(nèi)部拉結(jié)、周邊拉結(jié)、豎向拉結(jié)以及承重墻拉結(jié)。例如當(dāng)結(jié)構(gòu)某層的結(jié)構(gòu)柱遭到破壞，上部的樓板和梁間，周圍的結(jié)構(gòu)柱以及承重墻相互拉結(jié)來(lái)抵抗局部破壞引起的周圍連續(xù)性破壞，進(jìn)而降低連續(xù)倒塌發(fā)生的概率。采用拉結(jié)構(gòu)件法還和采用材料的強(qiáng)度有關(guān)，不同材料的拉結(jié)強(qiáng)度也不同，所以要求對(duì)拉結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，以滿足要求。該設(shè)計(jì)方法主要針對(duì)構(gòu)件，能夠在很大程度上保證結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，但是當(dāng)下結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，進(jìn)行驗(yàn)算模型的簡(jiǎn)化也越來(lái)越多，得到的結(jié)果可靠性也隨之降低。

2.3 拆除構(gòu)件法

拆除構(gòu)件法也可以稱為變化荷載路徑法，是目前抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)最常用的方法。該方法是通過有針對(duì)性的拆除一個(gè)或幾個(gè)承重構(gòu)件來(lái)對(duì)剩余整體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，用以判斷結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的能力。這種方法是目前可靠性最高的一種設(shè)計(jì)方法，在美國(guó)的GSA和DOD規(guī)范中都選取了此種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于典型結(jié)構(gòu)來(lái)說，要對(duì)結(jié)構(gòu)外圍的短邊中柱、長(zhǎng)邊中柱以及角柱依次進(jìn)行拆除分析，然后還要拆除內(nèi)部柱進(jìn)行分析，以上工作需在結(jié)構(gòu)的每層進(jìn)行。分析從非線性和動(dòng)力效應(yīng)兩個(gè)方面考慮，包含四種分析:非線性靜力分析、線性靜力分析、非線性動(dòng)力分析以及線性動(dòng)力分析。

2.4 關(guān)鍵構(gòu)件法

關(guān)鍵構(gòu)件法是指對(duì)發(fā)生破壞后可能引發(fā)大規(guī)模坍塌破壞的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)和加固，其目的是為了抵抗偶然荷載施加在關(guān)鍵構(gòu)件上而不會(huì)造成破壞。對(duì)于哪些是建筑的關(guān)鍵構(gòu)件的判定，可以通過設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷哪些構(gòu)件是易遭受突然荷載或是構(gòu)件本身就是薄弱的承重構(gòu)件，也可以通過拆除構(gòu)件法計(jì)算所得出的結(jié)果來(lái)確定哪些構(gòu)件容易破壞，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌。關(guān)鍵構(gòu)件法要求預(yù)測(cè)構(gòu)件上的偶然荷載的大小和類型，我國(guó)的《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中給出的構(gòu)件表面?zhèn)认蚝奢d的規(guī)定值為80 kN/m2[4]，而英國(guó)規(guī)范給出的值為34 kN/m2[5]。

3 國(guó)外規(guī)范

3.1 英國(guó)規(guī)范

自從Ronan Point倒塌事件之后，英國(guó)就開始對(duì)抗連續(xù)倒塌問題進(jìn)行深入研究，為了防止以后類似的倒塌事件發(fā)生，進(jìn)而制定了一系列的規(guī)范：Building Regulations，Approved Document 和British Standard。在Building Regulations中提出了關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)法、拉結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)法以及構(gòu)件的跨越設(shè)計(jì)法三種設(shè)計(jì)方法，在British Standard中提出了拉結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)法，按照其拉結(jié)位置及其作用的不同可以分為：內(nèi)部拉結(jié)、周邊拉結(jié)、墻/柱拉結(jié)和豎向拉結(jié)。在這一系列的規(guī)章、規(guī)程中主要對(duì)拉結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和描述。英國(guó)是世界上第一個(gè)把有關(guān)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌問題以規(guī)范、規(guī)程的形式進(jìn)行規(guī)定的國(guó)家，也提出了有關(guān)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)程序以及構(gòu)造要求[6]。英國(guó)的抗連續(xù)倒塌規(guī)范已經(jīng)有40年左右的歷史，在這期間也經(jīng)歷了一些偶然事件、恐怖襲擊，結(jié)構(gòu)也都經(jīng)受住了考驗(yàn)，這說明在一定程度上這些設(shè)計(jì)方法都是有效的。

3.2 歐洲規(guī)范

Eurocode1[7]主要針對(duì)有關(guān)具體的意外荷載的規(guī)范，該規(guī)范建議在設(shè)計(jì)時(shí)從三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì):降低意外事件發(fā)生的概率、減小意外荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響和增強(qiáng)局部構(gòu)件的強(qiáng)度。Eurocode1(CEN 2006)從兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)：一個(gè)是控制偶然事件發(fā)生的概率，即減少偶然事件的發(fā)生來(lái)保護(hù)結(jié)構(gòu)；另一個(gè)是傾向于結(jié)構(gòu)的直接抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)，就是降低局部構(gòu)件破壞對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，即控制意外荷載對(duì)局部構(gòu)件的破壞。Eurocode1還給出了在對(duì)結(jié)構(gòu)遭受突發(fā)事件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)的具體做法：

1)減少突然事件的發(fā)生概率，加大建筑與道路之間的距離，注意保持建筑結(jié)構(gòu)的通風(fēng)。

2)減少非嚴(yán)重事件對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞，如在建筑物的周圍增加防護(hù)設(shè)施。

3)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度，減小意外事件對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞。規(guī)范對(duì)撞擊、爆炸的荷載情況進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和規(guī)定。

3.3 美國(guó)規(guī)范

美國(guó)對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的研究浪潮是以“911”事件為開端的，在這次事件過后美國(guó)土木工程協(xié)會(huì)(ASCE)、美國(guó)總務(wù)部(GSA)以及美國(guó)國(guó)防部(DOD)等相繼推出了一系列的設(shè)計(jì)規(guī)范指南。2001年美國(guó)國(guó)防部編制《建筑抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)》，美國(guó)總務(wù)部(GSA)在2003年編制《聯(lián)邦政府辦公大樓以及大型現(xiàn)代建筑連續(xù)倒塌分析和設(shè)計(jì)指南》，其中對(duì)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，上述這些設(shè)計(jì)指南都多次進(jìn)行了修訂。

GSA2003[8]是世界第一部專業(yè)的抗連續(xù)倒塌規(guī)范，其中明確加深了連續(xù)倒塌的定義，給出了拆除構(gòu)件法的詳細(xì)流程，以及線性、非線性和動(dòng)力、靜力組合的分析方法。DOD2010則是針對(duì)恐怖襲擊編制的抗連續(xù)倒塌規(guī)范。

3.4 日本規(guī)范

2005年日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)聯(lián)合美國(guó)高層建筑與城鄉(xiāng)住宅理事會(huì)編制了《高冗余度鋼結(jié)構(gòu)倒塌控制設(shè)計(jì)指南》。該指南中主要對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的冗余度進(jìn)行了詳細(xì)研究，提出了用三種冗余度的方法來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的荷載在重新進(jìn)行分布后是否有連續(xù)倒塌的危險(xiǎn)：簡(jiǎn)單評(píng)估法、詳細(xì)評(píng)估法以及柱軸壓比評(píng)估法[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

近期法國(guó)發(fā)生了一系列的恐怖襲擊，從Alferd P Murrah州政府大樓倒塌到“911”事件，恐怖活動(dòng)有日益猖獗的趨勢(shì)，所以建筑的抗連續(xù)倒塌也來(lái)到了一個(gè)更加重要的位置上。本文總結(jié)了主要的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法，對(duì)國(guó)外主要的規(guī)范指南進(jìn)行了簡(jiǎn)述，對(duì)比我國(guó)的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌研究情況來(lái)看起步比國(guó)外要晚，相關(guān)規(guī)范制定也比國(guó)外要晚一些。多數(shù)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)仍然是依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，用關(guān)鍵構(gòu)件法以及拆除構(gòu)件法進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的形式、連接形式、支撐形式、高冗余度、結(jié)構(gòu)層的布置和轉(zhuǎn)換形式以及建筑材料等因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的效果也有很大的影響，關(guān)于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌需要在兼顧這些影響因素的情況之下，對(duì)設(shè)計(jì)理念以及設(shè)計(jì)流程進(jìn)行詳細(xì)深入的研究。

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[5] 呂 婷.高層建筑混凝土框架結(jié)構(gòu)雙柱失效的抗連續(xù)倒塌研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2015.

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[8] General Services Administration(GSA).Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Project[S].Washington DC,2003.

[9] 日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)，美國(guó)高層建筑和城市住宅理事會(huì).高冗余度鋼結(jié)構(gòu)倒塌控制設(shè)計(jì)指南[M].陳以一，趙憲忠，譯.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2007.

On design methods for structural continuous collapse resistance and foreign regulations

Han Xiao Li Chenghua

(CollegeofArchitecturalEngineering,Xi’anTechnologicalUniversity,Xi’an710021,China)

The paper introduces the concept of the continuous collapses, analyzes the design methods for the structural continuous collapse resistance from the concept design methods, tensioning method, demolishing method, and key component methods, and explores the regulations for the structural continuous collapse resistance in foreign countries, so as to provide some reference.

structure, continuous collapse, concept design method, tensioning method

2016-03-25

韓 嘯(1989- )，男，在讀碩士； 李成華(1976- )，男，副教授

1009-6825(2016)16-0027-02

TU318

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