國內(nèi)外抗連續(xù)倒塌設(shè)計規(guī)范研究及對比

裴強 郭航 丁彧

摘要：結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌一直是土木工程領(lǐng)域關(guān)注的焦點，現(xiàn)階段各個國家關(guān)于連續(xù)倒塌的規(guī)范在設(shè)計方法以及具體規(guī)定上均有所差異?；仡櫫丝惯B續(xù)倒塌研究的發(fā)展歷史，梳理了國內(nèi)外抗連續(xù)倒塌設(shè)計規(guī)范中的不同規(guī)定，對國內(nèi)外抗連續(xù)倒塌規(guī)范的設(shè)計方法進行了歸納總結(jié)，比較了各國規(guī)范安全等級劃分方式以及驗算時荷載組合的異同，并對破壞發(fā)生范圍的界定做了詳細對比，為將來形成統(tǒng)一的規(guī)范提供一定參考。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu);抗連續(xù)倒塌;倒塌設(shè)計規(guī)范;荷載組合

中圖分類號：P315.922 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2022）01-0026-10doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2022.0004

0 引言

各國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范形成之初，抗連續(xù)倒塌的問題并沒有引起工程師們的足夠重視，規(guī)范存在設(shè)計步驟流程不夠完善、大多僅憑借工程實際經(jīng)驗進行設(shè)計等問題。雖然超設(shè)計基準地震發(fā)生的概率極低，但是一旦發(fā)生并引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌，將造成巨大損失。國內(nèi)外多起典型連續(xù)倒塌事故的發(fā)生，不僅給社會帶來了極為嚴重的影響，也給整個工程界敲響警鐘。建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能是抗震防災(zāi)系統(tǒng)中首要的環(huán)節(jié)，其中抗倒塌能力是抗震性能的表現(xiàn)指標，其強弱對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到了決定性的作用（李奉閣，楊曉健，2016）。

近年來，工程上對建（構(gòu)）筑物的安全性要求越來越高。對連續(xù)倒塌也有了明確定義：建筑物在規(guī)定的使用年限中，可能會遭受到偶然荷載作用，倘若設(shè)計過程中沒有充分考慮該作用，結(jié)構(gòu)便可能出現(xiàn)局部邊界條件破壞從而引起內(nèi)力發(fā)生變化，如果結(jié)構(gòu)其它部分無法承擔因為局部破壞增加的內(nèi)力則會發(fā)生連續(xù)性破壞，最終導(dǎo)致建筑物全部倒塌。結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌有兩個特點：一是局部開始的連鎖反應(yīng)，二是最終破壞程度與初始破壞不成比例（Starossek，2007）。

對此，近50年來國內(nèi)外工程界發(fā)行了多個抗連續(xù)倒塌相關(guān)規(guī)范。然而，各規(guī)范所使用的設(shè)計方法有所不同，安全等級劃分方式以及對應(yīng)的設(shè)計要求有所差異，驗算時采用的等效靜荷載組合也存在差別?，F(xiàn)階段我國核電廠的抗倒塌設(shè)計僅參考國家現(xiàn)行有關(guān)抗震規(guī)范，僅對與核安全密切相關(guān)的Ⅰ類物項額外進行極限安全地震動的抗震設(shè)計，對于此類重要結(jié)構(gòu)在強震乃至超設(shè)計基準地震作用下能否保證其安全性，還有待考究。因此，總結(jié)并梳理各國抗連續(xù)倒塌研究的方法對于在實際工程中確定結(jié)構(gòu)的重要性，針對不同結(jié)構(gòu)提出不同的設(shè)計方法和保護方式具有重要的現(xiàn)實意義。本文主要從抗連續(xù)倒塌研究的發(fā)展歷史、各國不同規(guī)范中安全等級的劃分與對應(yīng)設(shè)計要求的比較、驗算時等效靜荷載組合的異同以及界定的連續(xù)倒塌時的破壞范圍差異等方面對各國抗連續(xù)倒塌設(shè)計規(guī)范進行梳理歸納，為現(xiàn)階段國內(nèi)工程以及將來全面而統(tǒng)一的規(guī)范的形成提供一定的參考。

1 抗連續(xù)倒塌研究發(fā)展簡史

在抗連續(xù)倒塌研究的發(fā)展過程中，結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌研究與重大連續(xù)倒塌案例息息相關(guān)，對抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法的建立影響重大。伴隨著這些事故的發(fā)生，各國開始深入研究，與抗連續(xù)倒塌相關(guān)的技術(shù)標準也在不斷革新。可以說正是這些典型倒塌案例為結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌研究提供了豐富的一手資料（陸新征等，2011）。

1968年5月6日英國Ronan Point公寓（22層裝配式結(jié)構(gòu)）因18層轉(zhuǎn)角處某間房屋煤氣泄露發(fā)生爆炸，沖擊力破壞了鄰近的外墻墻板和樓板，致使整棟大樓發(fā)生連續(xù)倒塌。后續(xù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當時煤氣爆炸的沖擊荷載并不是很大，但是卻引發(fā)了嚴重的后果。究其原因，主要是因為大樓在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時并未全面考慮偶然荷載的作用，而預(yù)制裝配體系的整體性較差，18層轉(zhuǎn)角處發(fā)生爆炸后鄰近構(gòu)件發(fā)生破壞，整個體系未能形成新的荷載傳遞路徑，導(dǎo)致建筑物的邊角處發(fā)生連續(xù)倒塌。學(xué)者們開始意識到初始發(fā)生在局部的破壞有可能導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)大范圍破壞。這次事件的發(fā)生引起了國內(nèi)外工程界的廣泛關(guān)注與重視，促進了連續(xù)倒塌相關(guān)理論研究的開展，并推動了相關(guān)規(guī)范的修改編纂（李全旺，張望喜，2020）。英國研究人員開始重視結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的問題，并對現(xiàn)有規(guī)范做了相應(yīng)的修正，1970年在建筑規(guī)程中最早出臺了抗連續(xù)倒塌的相關(guān)規(guī)定（MCGUIRE，1974）;1972年出版的美國國家標準學(xué)會（ANSI）A58.1標準中也加入了連續(xù)倒塌控制的相關(guān)規(guī)定;《美國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（簡稱ACI規(guī)范）（ACI 318M-89，1989）指出，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的整體性來提高抗連續(xù)倒塌的能力;歐洲的設(shè)計規(guī)范也緊隨其后進行了調(diào)整。

1995年，美國Alfred P.Murrah 聯(lián)邦政府大樓（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）發(fā)生爆炸倒塌事故?？植婪肿釉诰啻髲B4.75 m處引爆炸藥，底層柱子首先被炸斷，接著上面的轉(zhuǎn)換梁發(fā)生斷裂導(dǎo)致轉(zhuǎn)換梁上的柱子失效，最終這棟9層大樓在豎直方向發(fā)生連續(xù)倒塌。這次事故致使100多人死亡，800多人受傷，造成了巨大的經(jīng)濟損失以及社會恐慌。因此美國在建筑規(guī)范中完善了有關(guān)抗連續(xù)倒塌的相關(guān)條文，并于1999年實行了ATFP標準（DoD暫行標準），2000年又在《結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌備用荷載路徑法分析及設(shè)計指南》中推出防連續(xù)倒塌標準。

2001年“9·11”事件發(fā)生前，美國世貿(mào)中心雙塔大廈是世界上最高的建筑，屬于筒中筒的結(jié)構(gòu)體系。設(shè)計師在結(jié)構(gòu)設(shè)計時已經(jīng)考慮了強風以及飛機撞擊等偶然荷載。但是恐怖襲擊的飛機發(fā)生燃燒時，結(jié)構(gòu)主要受力的鋼構(gòu)件過熱發(fā)生軟化，致使結(jié)構(gòu)頂部承載力不足，最終引起整個大樓體系發(fā)生連續(xù)倒塌。這次事故再次給工程界一個警示，使得美國對現(xiàn)行設(shè)計標準進行了一定優(yōu)化，美國公共事務(wù)管理局編制的《聯(lián)邦政府辦公樓以及大型現(xiàn)代建筑連續(xù)倒塌分析和設(shè)計指南》（GSA 2003）和美國國防部編制的《建筑抗連續(xù)倒塌設(shè)計》（DoD.UFC 4-023-03，2005）對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的設(shè)計方法及具體過程作了較詳細的介紹。

我國也多次發(fā)生類似的連續(xù)倒塌事故。1990年遼寧盤錦發(fā)生的天然氣爆炸事故導(dǎo)致5層磚混房屋發(fā)生連續(xù)倒塌;2001年河北石家莊棉紡織廠宿舍發(fā)生局部爆炸最終導(dǎo)致整個樓房坍塌;2012年浙江寧波一棟6層公寓由于長期被雨水浸泡，結(jié)構(gòu)的承重柱局部承載力降低，引起整體的連續(xù)倒塌。與國外相比，我國在抗連續(xù)倒塌規(guī)范以及體系方面雖然建立得晚一些，但一直處于不斷完善與發(fā)展中，針對連續(xù)倒塌問題進行分析研究，取得了大量的研究成果?！豆こ探Y(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》（GB 50153—2008）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）等規(guī)范中均提出對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計的要求，并于2021年頒布了針對抗連續(xù)倒塌的最新設(shè)計規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計標準》（CECS 392：2020），規(guī)定了具體的設(shè)計方法及措施。

2 規(guī)范中設(shè)計方法的發(fā)展及對比

上述規(guī)范主要是從結(jié)構(gòu)與構(gòu)件兩個層次進行研究，結(jié)構(gòu)層次主要考慮的是結(jié)構(gòu)體系在連續(xù)倒塌過程中是否具備足夠的整體冗余度和魯棒性，以避免可能出現(xiàn)的連續(xù)失效機制;構(gòu)件層次則主要考慮各類節(jié)點及梁柱構(gòu)件在連續(xù)倒塌過程中的內(nèi)力發(fā)展變化及破壞模式等（潘珠峰等，2020）。

2.1 英國相關(guān)規(guī)范

2.1.1 英國《建筑規(guī)范》

1976年英國首次在《建筑規(guī)范》中做了基本規(guī)定：在遭遇偶然荷載時結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)大規(guī)模且范圍與初始破壞不成比例的倒塌。2010年英國修改了原本的規(guī)范條令，并編寫了新的規(guī)范——The Building Regulations 2010-Approved Document A：Structure（2013）。英國政府根據(jù)《建筑法》將此條例制定為法律條令，這是英國建筑行業(yè)的第一個關(guān)卡，規(guī)定了英國政府在建設(shè)工程管理方面的職責，以及可適當放寬執(zhí)行條件的情況等有關(guān)規(guī)定，此文件具有比較普遍的約束性和使用范圍。Approved Document A（結(jié)構(gòu)部分）規(guī)范給出的3種設(shè)計方法為拉接強度設(shè)計法、構(gòu)件跨越能力設(shè)計法和關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計法。

英國在規(guī)范出臺以后的40多年中，一系列建筑物遭受突發(fā)事件時結(jié)構(gòu)物表現(xiàn)出的抗倒塌性能足以體現(xiàn)出該部準則的有效性。

2.1.2 英國《混凝土規(guī)范》（簡稱BS 8110規(guī)范）

英國在《混凝土規(guī)范》（Structural Use of Concrete，BS 8110-1：1997）中最先提出了拉結(jié)構(gòu)件法，并對該方法做了詳細規(guī)定。該規(guī)范將結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下發(fā)生破壞時結(jié)構(gòu)模式假定為“懸鏈線模式”（圖1），即發(fā)生大變形時，由于豎向構(gòu)件失效無法承擔原有承載力，所以框架梁所需承擔的力由梁內(nèi)縱筋產(chǎn)生的軸向力在豎直方向的分力來承擔，從而有效防止了該層構(gòu)件發(fā)生破壞掉落。規(guī)范還給出了不同拉結(jié)類型所對應(yīng)的拉結(jié)強度及拉結(jié)位置。同時也規(guī)定了保證結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的設(shè)計流程，提出魯棒性的概念，用于衡量建筑物的抗連續(xù)倒塌能力的強弱。該規(guī)范介紹了提高結(jié)構(gòu)性能的5個設(shè)計方法：①拉結(jié)強度設(shè)計法;②關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計法以及拆除構(gòu)件設(shè)計法;③檢驗結(jié)構(gòu)的整體性的方法;④進行結(jié)構(gòu)水平拉結(jié)設(shè)計;⑤設(shè)置防護措施。

其中方法①和②是在英國《建筑規(guī)范》基礎(chǔ)上對構(gòu)造和設(shè)計更為詳細的規(guī)定，其余是此規(guī)范區(qū)別于英國《建筑規(guī)范》的附加內(nèi)容。該規(guī)范對建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部做了規(guī)定，主要通過提高結(jié)構(gòu)本身承擔荷載的能力、加強構(gòu)件的延性及構(gòu)件與構(gòu)件相互的拉接來增強建筑結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能。

2.2 歐洲Eurocode 1/2規(guī)范

1991年歐洲出臺Eurocode 1：Actions on Structures-part1.7：General Actions-Accidental Actions（EN 1991-1-7），此規(guī)范從意外和人為因素兩個方面定義了偶然荷載，并規(guī)定在遭遇偶然荷載時，結(jié)構(gòu)必須具有足夠的抵抗能力。規(guī)范對拉結(jié)構(gòu)件法也做了詳細規(guī)定，在計算公式以及模型上基本沿用了英國BS 8110規(guī)范的方法，僅在荷載取值上有略微不同。針對具體意外事件，規(guī)范提出3種方式進行設(shè)計：①從源頭控制，減少偶然事件發(fā)生的概率;②采取有效措施，在偶然事件發(fā)生時盡可能減小結(jié)構(gòu)的破壞;③提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在偶然事件發(fā)生時增強結(jié)構(gòu)的抵御能力。規(guī)范還對撞擊和爆炸等偶然事件作用做了詳細的規(guī)定。

1998年歐洲針對Eurocode 1規(guī)范（EN 1991-1-7）做了修改與補充，出版了新版規(guī)范Eurocode 2：Design of Concrete Structures European Standard（EN 1998-3：2005），該版規(guī)范主要對前一版中的拉結(jié)構(gòu)件法做了補充說明，提出了結(jié)構(gòu)構(gòu)造的具體內(nèi)容如受拉鋼筋錨入長度等。該規(guī)范從兩個方面對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌進行設(shè)計：①考慮意外荷載的具體作用;②僅研究結(jié)構(gòu)自身的抗連續(xù)倒塌性能。該規(guī)范主要是通過設(shè)計要求來減少由于突發(fā)事件導(dǎo)致建筑物損傷的概率。

2.3 美國相關(guān)規(guī)范

2.3.1 美國混凝土協(xié)會《美國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（簡稱ACI 318規(guī)范）

美國混凝土協(xié)會在1989年編訂的ACI 318規(guī)范中就有關(guān)于結(jié)構(gòu)整體性的規(guī)定，并在此后的30多年里不斷地更新修正。2002年出版的ACI 318規(guī)范（ACI 318M-02）僅提供了一定的措施用以改善結(jié)構(gòu)延性從而提高建筑物整體性，沒有給出具體的設(shè)計方法。該規(guī)范指出：為提高結(jié)構(gòu)的整體性，構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的拉接要求。2008年修訂的ACI規(guī)范（ACI 318M-08）第7.13條說明中指出“應(yīng)增強結(jié)構(gòu)的冗余度和延性，當任意關(guān)鍵構(gòu)件受到破壞或是承受非正常荷載時，都能將其造成的破壞控制在一定范圍內(nèi)?！睘閷⒔Y(jié)構(gòu)更好地拉結(jié)，規(guī)范對鋼筋的細部構(gòu)造進行了基本規(guī)定。2011版規(guī)范（ACI 318M-11）對舊版規(guī)范進行了補充說明，針對概念設(shè)計法進行了詳細介紹。

2.3.2 美國公共事務(wù)管理局《結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌備用荷載路徑法分析及設(shè)計指南》（簡稱GSA指南）

2000年美國出版了第一部主要針對建筑物抗連續(xù)倒塌設(shè)計的指南，也是第一部抗連續(xù)倒塌設(shè)計標準。2003年出版的GSA指南（GSA 2003）里提供了一個判斷建筑物可否免于進行抗連續(xù)倒塌分析的分析流程。該流程考慮了建筑物的用途、使用年限、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等多方面的因素，如果判定建筑的倒塌風險為“低”，則可免除進一步的分析，否則將采用拆除構(gòu)件法對結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力進行評估（梁益等，2007）。

2013年出版的GSA指南（GSA 2013）較之前版本有了較大的變化，強調(diào)了拆除構(gòu)件法的概念，并對操作流程和分析方法進行詳細說明。指南詳細介紹了線彈性分析及非線性分析方法使用范圍，并給出不同破壞準則的判別方法。通過是否考慮動力效應(yīng)將分析方法劃分為靜力分析與動力分析。

2016年出版的GSA指南（GSA 2016）又進行了更新，在2013版的基礎(chǔ)上刪除了關(guān)于拉結(jié)強度法的相關(guān)內(nèi)容，并刪除了不同材料增強局部抗力法的內(nèi)容，對整體內(nèi)容進行了調(diào)整，還給出一些提高新建結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的概念性措施，在附錄中給出了初始設(shè)計的基本流程。

2.3.3 美國國防部《建筑抗連續(xù)倒塌設(shè)計》（簡稱DoD規(guī)范）

1999年美國國防部發(fā)布了《建筑抗連續(xù)倒塌設(shè)計》的暫行ATFP標準。該規(guī)范設(shè)立的目標是提高國防設(shè)施的安全性，盡可能減少由于突發(fā)事件造成設(shè)施發(fā)生連續(xù)倒塌事故，是一部抗連續(xù)倒塌設(shè)計專業(yè)規(guī)范。2001年經(jīng)過修正與補充，發(fā)布了DoD關(guān)于防止連續(xù)倒塌的ITC標準。

2005版DoD規(guī)范（DoD.UFC 4-023-03，2005）沿用了英國BS 8110規(guī)范有關(guān)拉結(jié)構(gòu)件法的設(shè)計方法，對拆除構(gòu)件法也進行了詳細介紹，提出了具體設(shè)計方法。此規(guī)范比GSA指南在連續(xù)倒塌的設(shè)計方面的要求更為嚴格，對已建建筑物均需要進行風險評估和抗倒塌能力分析，而對新建的建筑物還要額外考慮抗連續(xù)倒塌設(shè)計。

2009版DoD規(guī)范（DoD.UFC 4-023-03，2009）對2005版規(guī)范進行了全面更新，包括全稱的變化。該規(guī)范新增了如鋼梁柱連接及考慮結(jié)構(gòu)的慣性效應(yīng)、非線性和材料因素的情況;對線性靜力、非線性靜力以及動力分析提出更完善明確的要求;對拆除構(gòu)件法的要求更加細化;根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)類型、功能以及位置等提出不同的設(shè)計方法。

2010版DoD規(guī)范（DoD.UFC 4-023-03，2010）在2009版基礎(chǔ)上額外采用了拉結(jié)強度法，并在拉結(jié)強度的要求部分對英國規(guī)范做了一定的修正。此版中對拆除構(gòu)件法的規(guī)定大部分遵從GSA指南的相關(guān)要求，但一些部分的要求更加嚴格。

2013版DoD規(guī)范（DoD.UFC 4-023-03，2013）內(nèi)容比2010版更加豐富，包括鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)以及冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計。規(guī)范采用了新的拉結(jié)強度法（圖2），認為在發(fā)生大變形時樓板能夠發(fā)揮薄膜或懸鏈線作用，提供水平拉結(jié)力，局部破壞區(qū)域的豎向荷載通過樓板的作用傳遞至結(jié)構(gòu)完好區(qū)域，從而避免結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌。規(guī)范針對結(jié)構(gòu)的外部墻邊柱以及轉(zhuǎn)角柱采用增強局部抗力法來強化設(shè)計，限制了水平拉結(jié)的分布位置，并具體要求了拉結(jié)的連續(xù)性以及如何進行錨固、搭接。

2016年，美國DoD規(guī)范又一次進行了更新，增加了“入住率”這一風險類別，并增加了對屈服設(shè)計的相關(guān)建議，形成了最新標準（DoD.UFC 4-023-03，2016）。DoD規(guī)范是目前美國已出版的標準中最新、最全面的設(shè)計標準。

2.3.4 美國土木工程學(xué)會《美國建筑荷載規(guī)范》（簡稱ASCE/SEI 7標準）

美國土木工程學(xué)會在《美國建筑荷載規(guī)范》（ASCE/SEI 7-05）中對連續(xù)倒塌概念做了定義：結(jié)構(gòu)在使用階段因意外事件致使結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞，最終造成結(jié)構(gòu)發(fā)生整體性垮塌或與初始破壞不相符的過大破壞。2010年版ASCE/SEI 7規(guī)范（ASCE/SEI 7-10）在1.4節(jié)指出對于許多大型場館，或者用以保護公共安全及失效時會對經(jīng)濟產(chǎn)生重大影響類型的建筑，應(yīng)額外采取有效措施限制倒塌的發(fā)生。2016年版ASCE/SEI 7規(guī)范（ASCE/SEI 7-16）在注釋中包含有關(guān)于減小連續(xù)倒塌存在風險的論述，但沒有提供具體分析以及實施辦法，僅提出了設(shè)計建議。

2.4 加拿大《國家建筑規(guī)范》（簡稱NBCC規(guī)范）

1975年加拿大頒布首部建筑規(guī)范NBCC規(guī)范（Canada-NBCC.NRCC 56190），該規(guī)范從建筑結(jié)構(gòu)的強度和完整性入手，規(guī)定結(jié)構(gòu)應(yīng)具備足夠的強度和完整性防止意外荷載，避免發(fā)生連續(xù)倒塌。1977年加拿大參考英國相關(guān)規(guī)范對該規(guī)范進行了修訂，規(guī)定在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段就要考慮到偶然荷載作用的情況，降低發(fā)生連續(xù)倒塌的概率。1995年加拿大再次對該規(guī)范進行修訂，規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)有足夠的能力防止局部倒塌的擴散，可以抵抗偶然荷載。

2.5 日本《高冗余度鋼結(jié)構(gòu)倒塌控制設(shè)計指南》

《高冗余度鋼結(jié)構(gòu)倒塌控制設(shè)計指南》主要利用概念設(shè)計法，提出了評估多高層及大跨空間鋼結(jié)構(gòu)冗余度的詳細措施和加強結(jié)構(gòu)冗余度的方法，主要有2種方法提高冗余度：①當發(fā)生倒塌時結(jié)構(gòu)能夠提供一個承載能力較強且安全的逃生區(qū)域，②盡可能多地設(shè)置豎向構(gòu)件以承受豎向荷載，當其中一部分構(gòu)件失效后結(jié)構(gòu)會進行荷載的重分布，阻止連續(xù)倒塌發(fā)生（日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會，美國高層建筑和城市住宅理事會，2007）。該指南對于連續(xù)倒塌的評估提出3種評價方法：柱軸壓比分析法、簡單分析法和詳細分析法，同時做了二維和三維模型的對比分析。

2.6 中國相關(guān)規(guī)范

2.6.1 《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》（GB 50153—2008）

此規(guī)范在3.1節(jié)中提出了防御連續(xù)倒塌的基本要求：當發(fā)生爆炸、撞擊、人為錯誤等偶然事件時，結(jié)構(gòu)能保持必需的整體穩(wěn)固性，不出現(xiàn)與起因不相稱的破壞后果，并指出應(yīng)采取有效的措施避免結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。

2.6.2 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）

此規(guī)范有關(guān)于“抗連續(xù)倒塌設(shè)計原則”的規(guī)定。在3.6節(jié)中提出對混凝土結(jié)構(gòu)進行“為避免偶然作用而加強結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部分的冗余度”的概念設(shè)計，并對重要結(jié)構(gòu)提出了包括拉結(jié)構(gòu)件設(shè)計法、局部加強設(shè)計法和拆除構(gòu)件設(shè)計法在內(nèi)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法，但規(guī)范僅進行了簡單介紹，并沒有給出具體的操作方法。

2.6.3 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）

此規(guī)程參考美國《建筑抗連續(xù)倒塌設(shè)計》（DoD.UFC 4-023-03，2005），詳細規(guī)定了概念設(shè)計法、拆除構(gòu)件法（彈性靜力分析方法）和關(guān)鍵構(gòu)件法的適用范圍及具體流程，并給出荷載組合效應(yīng)設(shè)計值計算方法。

2.6.4 《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計標準》（CECS 392：2020）

我國針對抗連續(xù)倒塌制訂的首部規(guī)范為《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計規(guī)范》（CECS 392：2014）。該規(guī)范包括建筑結(jié)構(gòu)倒塌案例、最新研究、實際操作、現(xiàn)行國家有關(guān)規(guī)定以及工程實際中可能會出現(xiàn)但現(xiàn)行國家標準缺少的建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計具體內(nèi)容。在房屋建筑抵御連續(xù)倒塌、地震、火災(zāi)以及建造時加固、改造現(xiàn)有結(jié)構(gòu)時防倒塌等方面提出了具體設(shè)計方法及措施。其發(fā)行拓展了原有規(guī)定，對建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計規(guī)定了具體的設(shè)計方法，但此方法仍具有一定的局限性（李奉閣等，2017），很多研究并不夠深入，于是專家學(xué)者對該規(guī)范做了進一步修改。

2020年將規(guī)范更名為《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計標準》（CECS 392：2020），這是我國迄今為止最新、最全面的抗連續(xù)倒塌規(guī)范標準。在內(nèi)容上對2014版進行了完善和更新，2014版只考慮構(gòu)件失效后整體結(jié)構(gòu)后續(xù)破壞過程，沒有具體考慮構(gòu)件失效的原因，在2020年版中除了考慮“災(zāi)害無關(guān)型”問題外，還考慮了“災(zāi)害相關(guān)型”連續(xù)倒塌問題。在第三章“基本規(guī)定”中將影響建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性的偶然作用類型進行劃分，并進一步明確在具體設(shè)計中如何選取合適的方法進行分析計算。第四章“建筑結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計”中新增了性能目標和設(shè)計方法適用范圍的說明，在概念設(shè)計部分中增加了高風險區(qū)域鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及高層裝配整體式混凝土構(gòu)造措施相關(guān)內(nèi)容，并提出在采用非線性靜力及動力方法進行抗倒塌計算時，如何采用剩余結(jié)構(gòu)的變形及破壞參數(shù)作為倒塌判定準則。第五章更明確了抗地震倒塌設(shè)計的使用范圍，增加了極罕遇地震的情況，同時對抗地震倒塌計算方法進行了詳細梳理。第六章對“房屋建筑抗火災(zāi)倒塌設(shè)計”的設(shè)計方法進行了修改，刪除了簡化構(gòu)件法，提出在升溫與降溫時要對節(jié)點承載力進行計算。在原有章節(jié)基礎(chǔ)上新增了第七章“建筑結(jié)構(gòu)抗爆炸連續(xù)倒塌設(shè)計”。

2.6.5 《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》（GB 50068—2018）

此規(guī)范要求在突發(fā)事件發(fā)生后的一定設(shè)計年限內(nèi)，結(jié)構(gòu)可以保持整體穩(wěn)定性。偶然情況下結(jié)構(gòu)局部發(fā)生破壞，剩余部分應(yīng)當有一定的可靠度，以確保在一定時間內(nèi)不會發(fā)生連續(xù)倒塌。

2.7 小結(jié)

各國規(guī)范對抗連續(xù)倒塌的設(shè)計重點有所不同，英國及歐洲規(guī)范在進行抗連續(xù)倒塌設(shè)計時偏重于使用關(guān)鍵構(gòu)件法和拉結(jié)構(gòu)件法;美國規(guī)范針對拆除構(gòu)件法在原有的基礎(chǔ)上進行了進一步研究，給出抗連續(xù)倒塌設(shè)計時具體的研究方法和基本流程;加拿大規(guī)范要求建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的強度和完整性，從而抵御連續(xù)倒塌的發(fā)生;日本規(guī)范重點對大跨鋼結(jié)構(gòu)提出抗連續(xù)倒塌設(shè)計要求。相比于其它國家的規(guī)范，我國首部針對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌編寫的規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計規(guī)范》（CECS 392：2014）給出了關(guān)于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計最詳盡的規(guī)定。

3 規(guī)范中安全等級劃分與對應(yīng)設(shè)計要求對比

考慮到經(jīng)濟等因素，大部分規(guī)范按使用類別和結(jié)構(gòu)特點將建筑物劃分為不同安全等級，采用分級的方式對建筑采用相應(yīng)的設(shè)計方法進行設(shè)計建造。由于各規(guī)范的設(shè)計方法及對應(yīng)的設(shè)計目標不同，所以在安全等級的劃分及設(shè)計要求方面的規(guī)定也有差異，下面就相關(guān)規(guī)范中安全等級劃分與對應(yīng)的設(shè)計要求進行比較。

3.1 英國《建筑規(guī)范》、英國BS 8110規(guī)范、歐洲Eurocode1規(guī)范

《建筑規(guī)范》結(jié)構(gòu)部分（Approved Document A）第五章規(guī)定了如何降低建筑物因偶然作用造成連續(xù)倒塌的風險，將建筑物安全等級按使用功能和容納率分為1級、2a級、2b級和3級，并詳細區(qū)劃了每個等級的建筑類型。

對應(yīng)不同安全等級規(guī)定了不同的設(shè)計方法：① 1級建筑僅按照批準文件中規(guī)定的規(guī)則進行設(shè)計和建造即可;② 2a級建筑，應(yīng)額外提供有效的水平拉結(jié);③ 2b級建筑，除了要滿足以上設(shè)計外，還要提供有效的豎向拉結(jié)。提出采用“拆除構(gòu)件法”檢驗在拆除不同的構(gòu)件后建筑的垮塌區(qū)域面積，并確定結(jié)構(gòu)“關(guān)鍵構(gòu)件”，有針對性設(shè)計與加強;④ 3級建筑應(yīng)對結(jié)構(gòu)及其組成部分進行詳細設(shè)計，考慮所有可預(yù)見的危險，并對建筑物進行系統(tǒng)風險評估。

英國BS 8110規(guī)范及歐洲Eurocode1規(guī)范在安全等級的劃分上與《建筑規(guī)范》一致，僅在個別建筑物的面積以及容納人數(shù)的劃分上有細微差別。

3.2 美國國防部《建筑抗連續(xù)倒塌設(shè)計》（DoD.UFC 4-023-03）

該規(guī)范與英國BS 8110規(guī)范相似，將建筑分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 等4個安全等級，并對不同等級做出具體設(shè)計要求：①Ⅰ級建筑正常設(shè)計即可;②Ⅱ級建筑可以進行拉結(jié)設(shè)計，增強首層角柱和邊柱，或選取“關(guān)鍵構(gòu)件”進行設(shè)計，當構(gòu)件在豎直方向比較薄弱時需采用拆除構(gòu)件法進行分析;③Ⅲ級建筑除了要對拉結(jié)強度進行設(shè)計并使用拆除構(gòu)件法分析，還要將底層外圍所有柱、墻選取為關(guān)鍵構(gòu)件進行設(shè)計;④Ⅳ級建筑在Ⅲ級建筑的基礎(chǔ)上，還需對底部兩層所有外圍柱、墻進行關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計。此規(guī)范僅給出了不同安全等級所對應(yīng)的設(shè)計方法，但未給出每個安全等級的結(jié)構(gòu)具體類型。

3.3 中國《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》（GB 50068—2018）

該規(guī)范建議根據(jù)結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生破壞對人類、社會、經(jīng)濟和環(huán)境產(chǎn)生影響的嚴重性，分別采用一級、二級、三級的安全等級進行設(shè)計，對應(yīng)的破壞后果分別為很嚴重、嚴重和不嚴重。

該規(guī)范僅是通過結(jié)構(gòu)破壞后果嚴重程度簡單劃分了結(jié)構(gòu)的安全等級，并沒有詳細列出建筑類別以及使用類型。規(guī)范在“注釋”中指出，不管是哪一安全等級的結(jié)構(gòu)，均要依據(jù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性設(shè)計原則對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性進行概念設(shè)計以及構(gòu)造處理，不同安全等級所對應(yīng)的處理方法有一定差別：①三級結(jié)構(gòu)只進行概念設(shè)計和構(gòu)造處理即可;②二級結(jié)構(gòu)除概念設(shè)計以及必要的構(gòu)造處理以外，還額外采用線性靜力方法進行計算;③一級結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)固性要求較高，除進行概念設(shè)計和構(gòu)造處理以外還要進行復(fù)雜程度不低于線性靜力方法的計算，并在適當時候采用非線性靜力或動力方法進行計算。

3.4 中國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）

該規(guī)范將建筑按抗震等級分為特一、一、二、三、四級，并指出，安全等級為一級及以上的高層建筑結(jié)構(gòu)需進行概念設(shè)計，必要時可以采用拆除構(gòu)件法進行設(shè)計。

3.5 中國《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計標準》（CECS 392：2020）

該規(guī)范在第7章“建筑結(jié)構(gòu)抗爆炸連續(xù)倒塌設(shè)計”中，采用與《民用建筑防爆設(shè)計標準》（T/CECS 736—2020）相同的建筑重要性等級確定方法，將建筑按抗爆設(shè)防類別分為甲、乙、丙、丁等4類。甲類建筑為對社會影響重大，一旦發(fā)生爆炸危害嚴重或功能不可中斷的建筑;乙類建筑為對社會影響較大、爆炸危害性較嚴重或爆炸后功能需快速恢復(fù)的建筑;丁類建筑為對社會影響可忽略不計，一旦發(fā)生爆炸不會構(gòu)成危害的建筑;丙類建筑為除了前3類建筑以外的建筑。在設(shè)計爆炸威脅時，僅允許甲類建筑發(fā)生輕微破壞，不影響其正常使用;乙類建筑的主要構(gòu)件僅可發(fā)生輕微破壞，次要構(gòu)件以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件允許發(fā)生中等程度破壞，建筑經(jīng)過修復(fù)后可很快繼續(xù)使用;丙類建筑的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件允許發(fā)生中等程度的破壞，次要構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件允許發(fā)生嚴重破壞，結(jié)構(gòu)破壞后經(jīng)過大修可以繼續(xù)使用;丁類建筑則允許發(fā)生不可修復(fù)的破壞。本條規(guī)定與《民用建筑防爆設(shè)計規(guī)范》基本一致。

4 各規(guī)范驗算時等效靜荷載組合及界定破壞范圍對比

建筑物在遭受超設(shè)計基準荷載時不可避免會發(fā)生一定的破壞，在進行結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌計算時，各規(guī)范所采用的方法以及等效荷載的取值均有所不同，表1列出不同規(guī)范中的荷載取值公式以及對偶然荷載的取值。

各國學(xué)者在編寫規(guī)范時會在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段提出指導(dǎo)，盡可能使倒塌破壞的程度在可控范圍內(nèi)，如果超出這個可控范圍則判斷結(jié)構(gòu)發(fā)生了連續(xù)倒塌。各規(guī)范對連續(xù)倒塌破壞范圍的界定有一定區(qū)別，見表2。

5 結(jié)論

國內(nèi)外不同規(guī)范有關(guān)抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法在適用范圍、規(guī)定嚴格程度、設(shè)計復(fù)雜程度均有不同。本文對連續(xù)倒塌的研究歷史進行簡要梳理，并在現(xiàn)有的規(guī)范基礎(chǔ)上進行歸納總結(jié)，對各國規(guī)范的異同點與適用范圍進行了詳細對比，希望對未來統(tǒng)一規(guī)范的形成提供參考依據(jù)，并幫助設(shè)計以及建筑人員充分認識這些不同點，進而采取恰當?shù)姆绞絹響?yīng)對實際工程中的需要，為我國今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定的參考。

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Research and Comparison of Domestic and Foreign Design Codesfor the Resistance to Progressive Collapse

PEI Qiang，GUO Hang，DING Yu

（School ofEngineering and Architecture，Dalian University，Dalian 116622，Liaoning，China）

Abstract

The structural progressive collapse has always been the focus of attention in the field of civil engineering.There are lots of differences in the design methods and specific provisions of the codes for progressive collapse designation in their own countries at current state.This paper reviews the development history of progressive collapse resistance，sorts out the different provisions of codes for progressive collapse resistance design and summarizes the design methods of progressive collapse resistance codes at home and abroad.A comparative study on the similarities and differences of safety classification methods and load combinations in national codes，and a detailed comparison of the definition of the range of failure is conducted.The results can provide a reference for the preparation of unified codes for progressive collapse resistance design in the future.

Keywords：building structure;progressive collapse resistance;code for collapse design;load combination