发布时间 : 星期一 文章框架结构的连续性倒塌研究更新完毕开始阅读68211669ddccda38376baf0e
[29]
《楼房或其他类型
结构的最小设计荷载》要求，应当通过构件之间的连续性、冗余度和延性来 保证结构的整体性。该设计标准没有针对降低结构发生连续性倒塌的可能性 而提出特殊的设计措施，而仅仅是在条文说明中讨论了三种可供选择的设计 方法：间接设计法、备用荷载路径法和局部抵抗特殊偶然作用的直接设计法。 ASCE附录提供了分析结构体系发生连续性倒塌可能性的非强制性条款。即建 议工程师在对结构进行抵抗连续性倒塌分析时，可分别按下述两种情况考虑 设计中应当采用的荷载和抗力标准。首先，分析结构因偶然作用发生局部破 坏后，是否有能力跨越破坏的区域而不会发生继发性连续倒塌时，应当采用 式（2-7）所示荷载组合对结构进行分析；其次，对于某些非常重要的构件， 应当针对对结构影响较大的偶然荷载，采用式（2-8）所示荷载组合对结构进 行局部强化设计。
1.2D+(0.5L 或 0.2S)+0.2W （2-7） (0.9 或 1.2D)+ k
A +0.5L+0.2W （2-8）
其中，D是恒荷载，L是活荷载，S是雪荷载， k
A 是偶然事件引起的作用 于结构上的荷载。
2.2 各国结构抗连续倒塌分析方法总结与对比
可能引发连续倒塌的意外事件很多，对于某些可以预见的事件（如爆炸 和撞击），可以根据经验或者理论研究来假定它们造成的荷载作用，由此来 进行构件的设计和结构形式的布置。这在Eurocode 1 以及美国国防部编制的 “新建结构抗爆设计”（Structural Design to Resist Explosive Effects for New Buildings）和“既有结构抗爆设计”（Structural Design to Resist Explosive Effects for Existing Buildings）中均有详细规定 [30]
。本文主要讨论的是针对局部破坏
所采用的设计方法，主要分为两大类：（1）间接设计：基本上指一些概念性 的设计措施，同时还包括拉结强度法；（2）直接设计：主要为备用荷载路经15 法和局部抵抗特殊偶然作用法。 2.2.1 概念设计法
各国规范和设计指南均强调了进行抗连续倒塌概念设计的重要性。研究
表明，对于充分考虑风荷载和地震荷载进行设计的结构，结构本身已具备较 好的整体性和延性，能一定程度上抵御连续倒塌的发生 [31]
。因此，在此基础
上采取一些针对意外事件的概念性的设计措施，不仅可以取得良好的效果， 而且不会过多的增加建筑的造价。一般包括以下几个方面 [29][32] ：
（1）合理的结构布置，避免结构的薄弱处；
（2）加强连接构造，保证结构的整体性和连续性； （3）提高冗余度，保证多荷载传递路径；
（4）采用延性材料，延性构造措施，实现延性破坏； （5）考虑反向荷载作用； （6）楼板/梁的悬链线作用； （7）设计墙使其能承受横向荷载。 2.2.2 拉结强度法
在结构中通过现有构件和连接进行拉结，可提供结构的连续性、延性以
及荷载的多传递路径，从而提高结构抗连续倒塌的能力。有人将该方法归为 一种量化的概念设计。我国规范GB50010在对第3.1.6条的说明中对拉结的概 念和作用有一些简单的描述，但没有具体规定 [25]
。
按照拉结的位置和作用可分为水平拉结和竖向拉结，水平拉结包括内部 拉结、周边拉结、对墙/柱的拉结等，竖向拉结主要由柱及承重墙提供 [21][27]
，
如图2.1所示。对于各种拉结，要求传力路径连续、直接，并对拉结强度进行 验算。一般来说，结构材料不同，拉结强度的要求也不一样。以内部拉结为 例，英国规范中混凝土结构和钢结构的内部拉结强度计算公式中荷载组合系 数有差异，此外混凝土结构的内部拉强度与结构层数和拉结跨度有关，而在 钢结构中则与拉结的跨度和间距有关。 根据最近Abruzzo John等人的研究 [33]
，即使满足现行美国混凝土规范ACI
318-02中的整体性要求以及DoD 2005中的拉结强度规定，结构在抵御连续倒 塌方面仍然具有明显的弱点。同时，如果涉及到复杂、不规则结构的设计， 设计者将很难有效的理解并采用这一方法。尽管如此，该方法能一定程度上 保证结构在连续性和整体性上的基本要求，而且比较简单，不显著改变结构 构型而且不过多增加建造费用。16 图2.1 框架结构拉结示意图 2.2.3 备用荷载路经法
采用备用荷载路径方法对结构进行抗连续性倒塌分析，是根据预设的破
坏准则有选择性的假定某个主要承载构件（柱、承重墙）失效，并对剩余结 构进行分析，分析结构是否会发生超过规定程度的倒塌。采用这种分析方法 不必详细了解导致结构发生局部破坏的偶然事件对结构的具体影响，而是按 条件极限状态对结构进行分析，此时结构是否具备抗连续倒塌能力只和整个 结构体系的延性、连续性、耗能性能直接相关。采用备用荷载路径方法对结 构进行抗连续倒塌分析需解决的关键问题：如何确定在设计允许的偶然荷载 下构件可能失效的位置及构件失效后可能产生的后果。若结构局部破坏的部 位己经确定后，备用荷载路径方法和通常情况下对完整结构进行的承载能力 极限状态分析方法相比，没有太大的差别，仅仅是结构的分析模型和荷载条 件有所变化。备用荷载路径方法是针对局部破坏后的结构进行分析，荷载条 件和正常结构设计时有所不同。
根据是否考虑非线性和动力效应，备用荷载法可采用线性静力分析、非 线性静力分析、线性动力分析、非线性动力分析。这四种分析方法依次从简 单到复杂，简单的方法实施方便，计算快速，但不精确，同时出于安全的考 虑，往往采用更保守的荷载组合，因而得到保守计算结果；复杂的方法精确 程度较高，但繁琐耗时，而且对计算结果很难进行检验。对此，有学者提出 一种渐进分析步骤（progressive analysis procedure） [34]
，即依次采纳从简单的
线弹性静力分析到复杂的非线性动力分析，计算逐步精确，而且每一阶段的17 计算结果均建立在上一阶段结果的基础上，相对易于检验。
备用荷载路径法能较真实的模拟结构的倒塌过程，较好的评价结构抗连 续倒塌的能力，而且设计过程不依赖于意外荷载，适用于任何意外事件下的 结构破坏分析。但另一方面，这种方法设计繁琐，往往需要花费较多的时间 和人力物力资源，这无论是对于业主还是设计者而言都是很难接受的。因此， 对于重要性较低的建筑，应尽量采用简单易行的方法，而对于重要性较高的 建筑则应采用复杂的方法进行精确分析。
2.2.4 局部抵抗特殊偶然荷载作用法
采用局部抵抗特殊偶然作用方法对结构进行抗连续倒塌能力分析就是针
对某些重要构件分析它们是否有能力抵抗设计规定的偶然作用的影响。这种 方法要求我们已经明确知道将要作用于结构上的偶然作用类型及其量值，然 后对局部构件进行承载能力极限状态分析，以使结构能够抵抗特定的突发事 件。
通过局部抗力分析，可以了解当这些关键构件直接受偶然事件影响时，
是否有足够的能力维持结构体系的整体稳定性。这种方法主要用在任何单个 单元（包括节点和构件)的失效或某个关键单元的失效都可能引发连续性倒塌 的结构。悬臂结构和冗余度较低的结构(例如静定结构)均属于这类结构。图 2.2为此种类型结构的一个简单示例，该结构为由三根构件构成的悬臂结构， 若构件○1 由于车辆的撞击失效，就意味着整个结构的失效。 图2.2 悬臂结构
在英国及欧洲规范中，关键构件在原有荷载组合的基础上各个方向应能 承受额外的34kN/ 2
m 的均布荷载，该值是通过参考Ronan Point公寓承重墙的 失效荷载得到的，而并不是针对爆炸计算得到的压力值 [27]
。当然，该荷载值
总是有可能被超越的。但通过该方法加固对结构整体稳定性有重要影响的构 件，能一定程度上减轻局部破坏发生的程度从而降低连续倒塌发生的可能。18 设计中应将这种方法和备用荷载路径法结合起来，既能有效改善结构抵御连 续倒塌的能力，同时也能减少建造费用，取得良好的经济效益。 2.2.5 小结
对结构进行抗连续性倒塌分析的两种设计方法中，间接设计法是通过构
造要求来达到提高结构抗连续性倒塌的目的，采用这种设计方法和具体的偶 然作用己经没有关系。采用直接设计法对结构进行连续性倒塌分析时，则需
要将偶然作用对结构的影响模型化，确定出采用备用荷载路径方法和局部抵 抗特殊偶然作用方法进行连续性倒塌分析应当采用的荷载效应组合以及偶然 作用在结构上的反应形式。
本文在模拟偶然作用对结构造成的局部破坏时，综合DoD和GSA评估结 构抗连续性倒塌能力时所采用的假定局部破坏准则。形成本文进行连续性倒 塌分析采用的局部破坏准则。采用备用荷载路径方法对结构进行分析时，这 种分析方法的要点就演变成如何假定结构初始破坏构件的数目及位置。采用 局部抵抗特殊偶然作用方法对结构进行抗连续倒塌能力分析时，则需要将结 构可能遭遇的偶然作用量化成荷载，作用于需进行分析的构件上。 2.3 本文的分析方法
线弹性静力分析方法建立在小变形假设基础上，即建立构件的平衡条件 时可以不考虑物体的位置和形状的变化。但对结构进行连续性倒塌分析时， 不仅需要考虑偶然作用下构件的强度是否满足要求，还要考虑结构的稳定性。 分析结构的稳定性就必然涉及到结构变形后的位移和变形对外力效应(即二 阶效应)的影响。对框架或类似框架的结构体系而言，通常都同时承受竖向荷 载和水平荷载，如果材料是完全弹性的，且不考虑二阶效应，则荷载和侧移 的变化呈线性关系，但实际上框架结构的P—△效应不可忽视，框架柱能承受 的荷载也达不到按线弹性计算时的临界值。即使在框架结构仅承受竖向荷载 的情况，由于框架柱的垂直度有制造和安装的误差，再加上残余应力和初始 弯曲的影响，P—△效应对框架承载力的影响仍不可忽视。
采用线弹性有限元的方法对结构进行连续性倒塌分析是可以的，且操作 容易，但计算精度相对低些。以前受计算水平所限，几何非线性问题的处理 不是很好，但随着计算技术的发展和大型通用商业有限元软件的开发，这些 问题得到了很好的解决。本文采用的ANSYS软件即可以高效率的处理好这个 问题。所以本文考虑几何非线性，采用非线性弹性分析方法；不考虑材料非19 线性可以和钢筋混凝土结构设计思路相吻合，容易理解。但这毕竟是简化的 近似方法，没有考虑材料非线性更主要的原因钢筋混凝土本构关系的复杂性 和不确定性。改进方法的优点是避免了混凝土材料的复杂性同时又考虑了结 构的大变形情况，能得出合理的结果。 2.3.1 可能失效部位的考虑 根据美国 GSA [21]
(the General Services Administration)规范，对于典型的结 构，失效单元可能发生的部位是：
○1 建筑物外围长边靠中央的一根柱失效； ○2 建筑物外围转角处的一根柱失效； ○3 建筑物外围短边靠中央的一根柱失效； ○4 建筑物内部的一根柱失效。 2.3.2 荷载取值
爆炸后发生的冲击波对建筑物是有影响的，但涉及到流固耦合问题，考
虑到实际需要，使用等效静力法来模拟冲击波对结构物的影响。静力分析时， 应采用式（2-9）所示荷载作用在结构上，以此模拟对结构物的影响。 Load=2(DL+0.25LL) （2-9）
其中，DL为不变荷载，LL为活荷载。这是考虑了爆炸荷载破坏了某一承