第六厨圣国了翟结趣安全厉护掌术会少放交癸了外结构的连续倒塌梁益陆新征规范介绍和比较缪志伟叶列平清华大学土木工程系北京 ∀#∃%∀!摘要目前结构的连续倒塌已成为严重威胁公共安全的重要问题因而日益受到关注国外自&∋(∃/公寓倒塌事件发生以来+−年英国)∗+,∗.+已经对连续倒塌问题进行了三十余年的研究并编制了相关设计规范而我国规范目前尚未规定详细抗连续倒塌设计方法规范如美国01法因此 本文对国外主要的抗连续倒塌设计23&∃4506##37879∀:!∗1∗>?欧洲;<=英国≅5∃&#等∀中相应的抗连续倒塌设计条文进行了总结和比较并在此基础上提出了一些结构抗连续倒塌的设计概念和几种主要的设计方以及我国在这方面需要解决的问题可供我国编制相关规范参考关键词连续倒塌Α规范Α设计方法&前言结构的连续倒塌是由于意外荷载造成结构的局部破坏并引发连锁反应导致破坏向结构的其它部分扩散最终使结构主体丧失承载力造成结构的大范围坍塌状态与初始破坏不成比例过程中的人为失误一般来说如果结构的最终破坏即可称之为连续倒塌川造成连续倒塌的原因有很多包括设计和建造以及在设计考虑范围之外的意外事件引起的荷载作用如煤气爆炸炸弹袭击车辆撞击火灾等连续倒塌一旦发生一般造蒯良严重的生命财产损失并产生恶劣的社会影响因而日益受到公众的关注和研究者的重视自从&∋(∃+,+年英国)∗:−∗.+.公寓倒塌事件发生以来>−Δ<=Ε,国外对连续倒塌问题已经进行了三十余年的研究其间经历了&∋。年美国0 Χ?=联邦政府办公楼倒塌。6#&年世贸双塔倒塌等多起重大事故在我国结构发生倒塌的事故也常有发生如炸导致主体结构倒塌的事故&∋∋#年发生在辽宁盘锦的由于燃气爆以及最近山西大同发生的一起同样是由于燃气爆炸导致的某居民楼部分坍塌事件随着这些事故频繁的发生:##&#结构的连续倒塌已经成为严重威胁公共安全的重要问题我国现行混凝土结构设计规范4≅不应导致大范围倒塌可操作性第3&(Φ6条规定 结构应具有整体稳定性结构的局部破坏但规范只对该条款作了简单的说明没有提出设计的具体方法和准则缺乏目前一些主要的国外规范中均有关于如何改善结构抗连续倒塌能力的规定如英国的≅=./ΓΕ5/.+>,>=,7∗欧洲的;公楼以及大型现代建筑连续倒塌分析和设计指南》4塌设计》76##:一>∗ 加拿大的Η联邦政府办≅11等美国公共事务管理局编制的《’506#3∀和美国国防部编制的《建筑抗连续倒∀则较为详细的阐述了结构抗连续倒塌的设计方法及流程本文在对一些相关国外规范进行简单比较的基础上介绍了一些结构抗连续倒塌的设计概念以及几种主要的设计方法并建议我国应该尽快开展的工作66&有关连续倒塌的国外规范英国规范规程英国是最早对建筑结构进行抗连续倒塌设计的国家之一由于)+,∗+−∗.+/公寓倒塌事件的发>ϑ&(生英国的设计规范开始对五层和五层以上的建筑进行针对意外事件的考虑∋Ι建筑规翟≅< ..+四(梁益等结匆故慈绪倒渭规馗分绍和9自梦?)<ϑ ,./∗+Γ∀规定Φ3Κ结构在意外荷载下不应发生与初始破坏不相称的大范围坍塌。提出了三种设计方法∀ 拉结强度设计通过结构现有的构件或连接将结构进行“捆绑”,以提高结构的整体性和冗余度Α6∀构件的跨越能力设计结构的水平构件应在其支撑构件破坏后仍然能够横跨两个开间而不完全失去承载力发生坍塌的相应区域不应超过楼层面积巧Λ或者:Ι扩Α3∀关键构件设计对于拆除后可能引发大范围坍塌的构件应设计成为关键构件,即该构件在各个方向应能承受额外的%3ΗΜΝΠΟ的均布荷载。在混凝土规范≅∃Γ&#中Φ% 为了提高结构在意外荷载下的鲁棒性,除采用了上述三种设计方法外还应保证结构不存在明显的薄弱处,且每个楼层应能承受相当于该楼层自重&:Λ的水平荷载。英国将抗连续倒塌设计方法纳人结构设计流程已经有三十余年的历史,在这期间内陆续发生了一些大规模的爆炸事件它们对结构的破坏都仅限于局部范围内,这说明这些方法是比较有效的。目前英国正考虑将结构抗连续倒塌设计的应用扩至更大的范围但考虑经济性,将参考欧洲规范中的规定对建筑按照安全等级进行分类设计。66欧洲;<∗=?∗?> Κ:Φ;<=∗Θ>?? 规定结构必须具有足够的强度以抵御可预测或不可预测的意外荷载。规范中的抗连续倒塌设计分为两个方面一个方面基于具体的意外事件,另一方面则独立于意外事件设计目的在于控制意外事件造成的局部破坏在针对具体意外事件进行设计时规范建议采用三条途径 ∀降低意外事件的发生概率如保证道路与结构之间的足够距离改善结构内部的通风性能等Α6∀减轻意外事件对结构的破坏作用,如设置防护栏等Α3∀增加结构的强度提高结构抵御意外事件的能力。规范对冲击和爆炸造成的荷载效应进行了详尽的规定包括汽车的撞击火车的撞击轮船的撞击以及粉尘爆炸燃气爆炸等。当然即使按照规定的荷载进行设计也无法完全避免局部破坏的发生,因为在结构的生命周期内该荷载值总是有可能被超越的。局部破坏一旦发生,结构需具备良好的整体性延性和冗余度来控制破坏蔓延。与英国规范类似欧洲规范采用了拉结强度法拆除构件法和关键构件法三种方法这些方法的应用是对应于建筑安全等级分类的如表&所示。表&;<=∗Θ?>? 中的建筑安全等级分类以及相应的设计方法建筑安全等级6高风险∀6低风险∀&应采用的水平竖向拉结设计方法无需特别设计水平拉结Β6拆除构件法需进行倒塌3法风关键构件险评估Β63美国的相关规范规程63&美国混凝土协会0? 3&:#6Κ(Φ该混凝土规范没有提供直接的抵御连续倒塌的设计方法但包含了为实现结构延性和整体性所需采取的措施规范中要求构件配筋和构件连接构造应有效保证结构构件之间的拉结连接改善结构的整体性具体包括钢筋在支座处应连续贯通Α钢筋搭接的位置和要求Α钢筋端部弯钩的要求等。对预制装配结构应采用沿建筑周边的纵向横向和竖向拉结并对拉结强度作了详细规定。一些研究者提出0Θ23&∃6#中的抗震设计有利于提高结构的抗连续倒塌能力闭结构构件的抗震构造要求改善了构件的延性使得结构在大震下实现延性破坏而这些能力正是结构在抵御连续Ρ夕Ι倒塌时所需要的为了分析结构的抗震设计和结构在爆炸荷载下的抗连续倒塌能力之间的关系美国联邦紧急事务管理局Σ;Δ0∀发起了一项对∋&:∋年在汽车炸弹袭击下发生严重坍塌的0 Χ?=>−Δ<=, 办公楼的专门研究Φ∃Κ。结果表明如果按照目前的抗震设计对原有建筑进行加固结构的抗倒塌能力将得到加强,在同样的爆炸袭击下倒塌面积显著减小同时目前0123&∃6#中对于抗震框架Γ−1 ,.∗Ο?Ο.+,=ΧΟ?∀的构造措施也能改善结构的抗爆和抗倒塌能力。这些措施使得梁和柱具有更高的强度和更好的延性在爆炸荷载下生存能力更强当然结构在爆炸等意外荷载下的倒塌机制和在地震作用下的倒塌机制是不同的两者的区别还有待进一步的研究。636美国公共事务管理局4506##3Κ∋Φ该指南首先提供了一个判断建筑是否可以免于进行抗连续倒塌分析的流翟;?Τ−Ο∗./+Υ=∗ΘΓ?Γ∀考虑了建筑的用途使用年限结构材料结构构造等多方面的因素如果通过该流程判定建筑的倒塌风险为低则可免于进一步的分析否则将采用拆除构件法对结构的抗连续倒塌能力进行评估。可选择的分析方法包括线弹性分析和非线性分析其中线弹性分析作为一种简化的分析方法只能应用于∗=层和&#层以下的建筑。对于∗=层以上的建筑和不规则的建筑则必须采用非线性方法。按照是否考虑动力效应又可分为静力分析和动力分析对于静力分析竖向荷载采用考虑动力放大系数的助>,ς6口ΩΞ∗:6ΩΩ∀其中Ω7为结构的恒载标准值Ω为结构的活载标准值。对于动力分析荷载组合采用劫>,7ςΩΞ#:6Ω指南采用屈强比71)∀作为线弹性分析的破坏准则而对于非线性分析方法,则是以塑性铰转动和位移的延性比作为破坏准则。另外,指南还建议了一些可供采纳的概念性的设计措施来提高新建建筑抵御连续倒塌的能力包括提高结构冗余度延性连续性和考虑反向荷载作用等并在附录中提供了进行结构构件尺寸和细部构造初始设计的流程供设计者参考遵循这些流程将使结构更容易通过接下来的连续倒塌风险评估633美国国防部7∗6#:Κ,∗Φ该规范的主要目标为减少国防设施由于不可预测的事件造成的潜在连续倒塌风险。规范将建筑分为极低低中高四个安全等级对应不同的安全等级采用从简单到复杂的设计方法即∀&对于极低保护等级的建筑只要保证结构的水平拉结强度即可Α6∀对于中等保护等级的建筑应保证结构水平和竖向的拉结强度如果存在构件竖向拉结强度不足则可采用拆除构件法分析Α3∀对于中高保护等级的建筑则拉结强度法和拆除构件法的要求均需得到满足。规范对拉结强度的规定基本上遵循英国相关规范中的要求对拆除构件法则进行了比较详细的规定并提供了线性静力非线性静力和非线性动力三种分析方法的具体步骤对于静力分析荷载组合采用6ΚΒ#∋∗=&∀67ΞΒ#5Ω∗=Β∗Γ9Φ∀ΞΒ#6Ψ其中7为恒载Ω为活载Γ为地震荷载Ψ为风荷载6为动力放大系数Β#∋为重力荷载有利时采用Β#:Ω表示最大标准活荷载的平均值Α对于动力分析,则采用#∋Β∗=&6∀7ΞΒ#5Ω∗=Β∗9Γ∀ΞΒ#6Ψ规范还规定了承重构件的拆除荷载的计算破坏限制容许准则等内容3主要的设计方法介绍结构的抗连续倒塌设计方法可以分为两类&Κ’Φ∀ 针对意外事件进行设计保证结构构件在意外荷载作用下一定的承载力Α6∀针对局部破坏进行设计使结构具有多荷载传递路径允许一定程度&夕∃梁益等结匆教连纺脚踢规馗分绍翔比扩的破坏而不发生坍塌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;<Θ∗=>?&以及美国国防部编制的“新建结构抗爆设计”5/<=/=<, 7?Γ.ϑ+/∗)?Γ.Γ/;Τ− ∗Γ.Ζ?;ΧΘ/Γ=∗ΧΗ?[≅<. >ΟϑΓ∀和“既有结构抗爆设计”Γ如?+ϑΓ∀中均有详细规定ΚΦ# 。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 ∀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Α6∀直接设计主要为拆除构件法和关键构件法。3&概念设计措施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6 Κ】。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# ΚΦ Φ3 ∀合理的结构布置避免结构的薄弱处Α6∀加强连接构造,保证结构的整体性和连续性Α3∀提高冗余度保证多荷载传递路径Α%∀采用延性材料延性构造措施实现延性破坏Α:∀考虑反向荷载作用Α(∀楼板Ν梁的悬链线作用ΑΙ∀设计墙使其能承受横向荷载36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整体牢固性以及荷载的多传递路径。有人将该方法归为一种量化的概念设计我国规范≅4:##&8在对第3&(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Φ6Κ。按照拉结的位置和作用可分为内部拉结周边拉结对墙胜的拉结以及竖向拉结四种类型Φ3ΚΦ∋Κ如图&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结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Φ%Κ。根据最近0∴<=Π∗Ρ+Ε∗等人的研究Κ &%即使满足现行美国混凝土规范0123&∃6#中的整体性要求以及7∗76#: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33拆除构件法拆除构件法通过有选择性的拆除结构的一个或几个承重构件柱承重墙∀,并对剩余结构进行分析确定初始破坏发生蔓延的程度以此评价结构抵御连续倒塌的能力4Γ06#3中规定Φ∃Κ对于典型结构建筑每层外围的长边中柱墙∀短边中柱墙∀及角柱墙∀均须一一拆除进行分析并考虑建筑底层和地下停车场不易采取安全防护措施该层还需拆除一根内部柱墙∀如图6所示。对于不规则结构设计者须根据工程经验判断拆除位置。采用该方法分析时应对结构施加的荷载在本文第二部分的相关规范中已经提到不再赘述根据是否考虑非线性和动力效应拆除构件法可第次届全国士窟结趣安全厉护学术会少论丈类2卯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Α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Υ=∗笋ΓΓ.Ζ?+,赶]Γ.ΓΥ=∗Θ?><=?∀Κ”Φ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,而且每一阶段的计算结果均建立在上一阶段结果的基础上相对易于检验拆除构件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。但另一方面拆除构件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犷洲Ν成⊥洲/书卜_州一十_⎯乳‘戚遗乙Ν‘了α戚ΝΝ⊥长边中部月征β角娜拐段图&拉结示意图图6柱墙∀的拆除位置示意图3%关键构件法对于无法满足拆除构件法要求即拆除后可能引发结构大范围坍塌∀的结构构件应设计成为关键构件使其具有足够的强度能一定程度上抵御意外荷载作用。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3%州ΝΟ6的均布荷载该值是通过参考)+∗+,−∗.+/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Φ3Κ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设计中应将这种方法和拆除构件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%结论在我国目前的建筑设计中特别是对于高层大跨等重要建筑的设计地震和风荷载往往对设计结果起控制作用对于如何提高结构在意外荷载作用下的稳定性和承载力还不够重视这也是我国相关设计规范中缺乏这方面的设计流程造成的应在借鉴国外经验的基础上尽快展开对结构连续倒塌的研究并在相关规范中增加结构抵御连续倒塌设计方法的内容目前巫待进行的工作有&∀建立与建筑物重要性相对应的安全等级分类意外事件的发生是一个小概率事件因而对所有的建筑都进行抗连续倒塌设计是不合理的也是不经济的。应根据重要性对建筑进行安全等级分类并依此采用与其相适应的设计方法进行结构‘6#袭盛等结匆教连梦剑踢加范分绍掀比黔抗连续倒塌设计。6∀寻找适合我国的设计方法可借鉴国外规范中已有的设计方法但应综合考虑我国国情,采用的设计方法不应过多增加建筑造价和设计者的负担。3∀开展对拆除构件法的研究对于重要建筑应采取拆除构件法评估结构抵御连续倒塌的能力。因此对于如何将拆除构件法应用于我国的结构设计应展开研究包括拆除构件的选择荷载组合以及破坏准则的确定等。鉴于难以进行实体模型试验这些问题可借助于计算机进行仿真分析来解决。参考文献Κ Φ; +. ϑ∗Ψ∗>≅=,Γ+,>−∗=?=ϑΓΓ.Ζ?1∗ −,Γ?Ρ∗+=<.,∗Χ−?>∴Ο旧叮??∗Χ1∗+Γ<=/?/>Σ,> ./.ΓΚ刀6洲万6#%∀3&:363&6Κ≅4:##6混凝土结构设计规范 ΓΦ中国建筑工业出版社6#6Κ3ΦΔ∗?=7≅Εχδε+,>;δ∗=?Υ,+=?四 ./,∗+Γ=∗ΧΘ,>>?+ ,/,?/.∗+ΓΚ1Φ认勺=ΜΓΕ叩∗+−?=Ζ+?./∗+∗Χ−72?’2ϑΓΓ.Ζ?1∗ −,Γ?Η./,∗+ ,2+Γ./.+ϑ5血+??Γ节白ΓΕ.+ϑ/∗+71%&Φ5/δ=/δ ,=<Γ?∗Χ?∗+,陷/?−,/= 1∗>?∗Χ−Θ,=/.??Χ∗=>?Γ.+ϑ+,>?∗+Γδ=/./Θ∗+Κ5Φ≅=./.ΓΕΓ+,/>,=> +Γ./∗? 0?/.∗+Γ∗+Γ<=/Θ/<=?Γ−,/= Ι1七+=?,.Θ0/.∗+Γ0?>>?+/ ,,?/.∗+ΓΚ5Φ;<=∗−幽1∗+ /??=∗Χ5+,/>,=>.Π./,∗+6∀!:Κ(Φ≅<. >+.ϑ?>∗?=φ?<.=?Ο?+/Γ=∗ΧΓ<=/Θ/<=, Θ∗+Θ=?/?0123&∃Δ#6∀,+>Θ∗+<+?+/,=]1023&∃)Δ6#∀Κ5Φ扣拙>?,+1∗+?=?/2+Γ./比?/6∀!6ΙΚΦ∗Γ,Ρ吐,0Δ∗Ε田旧?>)。梦ΓΓ.Ζ?1∗ −,?Γ∗Χ5/δ=Θ/=?≅.∴. ∗ϑ=,−Ε],+>∗1Ο−.=,Γ∗+Χ∗1?>?Γ+,>5/+,>,>=ΓΚΡΦΡ∗<=+, ∗Χ−?=Χ∗+++,Θ?∗Χ1∗+Γ<=/?/>?Σ,Θ& /.?Γ6#(6#%∀%&∃书:Κ∃&γ,]?ΓΡ,=Ρ∗Ε+)1,+Γ/ ℃+ϑΕ/?.<+ϑΧ∗=Β吐Εφ−∗=笋ΓΓ.Ζ??∗ −,Γ??=Γ.Γ+,/??Κ刀Ρ∗+=< ,∗Χ5/<=/δ ,=;++.ϑ?.=+ϑ6#:&3&∃∀&&:Ι&&ΙΙΚ∋Φ−=∗?=ϑΓΓ.Ζ??∗ −,Γ?+, ,]Γ.Γ,+>>?Γ.ϑ+ϑ<.>? +.?Γ∗Χ=+?Ψ>?Χ=?, ∗.Χ??∴<. >.+ϑΓ+,>η,+2∗=∗Ο>?=+.Π./,+∗−=η∗Θ?/ΓΚ5Φδ5?4+? ,=5Ζ=.??0>.+2+.Γ,=//.∗+6叨3Κ&#&δ+.Χ.?>Σ,Θ.. /.?Γ1=..=?/,7?Γ.+ϑ∗Χ5/<=Θ/≅=<Θ?)≅<. >.+ϑ?7Γ.ϑ+=∗Χ0∴+∗Ο=.,∗Ω,>Γ,+>=−∗笋ΓΖ.Γ1∗Χ ,−Γ?Κ5Φ1∗−Ο<⎯=?/儿>?>1.Ζ. ,+>2+Χ=Γ,<=/??==?,∴+∗Ο=, ∗幻Γ田Φ1,+?>,δ+.Γ=?Ζ./]∗Χ,,Ν/? =∗∗6#抖Κ&%Φ∴0<=Π∗Ρ∗Ο Δ,<日川,+.−,+.=,, ∗4]=,5∗Χ而>ϑ,./∗+Γ,=/?.ϑ?ΓΧ=∗−=∗?=ϑΓΓ.Ζ?Θ∗ −,Γ?∗Χ,=?.+Χ∗?=?>∗+=1?/?∗+”+?=Θ ,.∴< .+.>ϑΡΚ&∗Ρ<Ο.,∗Χ−?>∴=Ο+,??∗Χ1∗+Γ如?/>Σ,> ../?Γ6#%∀3∃%3∋#Κ&:ΦΔ州腼ΓΕ.Ζ .:Δ∗=−笋ΓΓ.Ζ?+0.,]Γ.Γ阮?>?=<∗Χ=72−脚ΓΓ.Ζ?1∗ ,−Γ?ΡΚΦΡ∗<+=.,∗Χ−?>池=Ο+,?1∗Χ1∗+Γδ=/Θ/>?Σ,Θ. ./.?Γ6!抖&∃6∀Ι∋∃:
