框架结构的连续性倒塌研究

建筑物抵抗连续性倒塌能力的热潮。

1975 年美国的 Eric F.P.Burnett 有关此问题的研究成果强调要避免建筑物 连续性倒塌，必须调整当时的设计规范，保证建筑结构的整体性。同年 11 月 John E.Breen 以一汽车制造车间为研究对象，探讨了建筑物连续性倒塌问 题，研究表明钢筋混凝土框架结构在遭到人为爆炸荷载的冲击下，更易在局 部产生连续倒塌问题，作者提出两种设计理念，一种是改变传力途径设计方5 法；另一种是提高建筑物专门抗力方法 [8] 。

1979年在美国召开了一个关于结构的进一步倒塌及相关问题的讨论会。 Breen(1979) [9]

指出大量的因为节点薄弱和在较大变形中缺乏转动能力产生

的破坏应该作为结构稳定研究中的首要问题。与会者讨论了材料对进一步倒 塌的影响，如钢材，木材等。对于混凝土结构来说，承重墙体结构相对于框 架结构更容易发生进一步的倒塌。同样的原因，预制混凝土结构也相对于现 浇结构更易发生进一步倒塌。所有的与会者都认为：第一，最有效的办法是 避免爆炸的发生；第二，结构的每个重要构件都应有承受荷载的充足抗力储 备；第三，对于整个结构应设计多个传力路径，可以通过增加多余约束，悬 索作用或特殊节点加强等方法获得。这次会议取得了重大成果提出了许多有 效的方法，这些方法对工程人员的设计有很大帮助。

Hawkins (1979)研究了无梁楼板结构，发现结构倒塌与内部柱子受冲力作 用有关，冲剪受四个基本因素影响：边缘约束，加载时间，双向弯曲还是单 向弯曲。倒塌的进一步发展是由于周边柱的瞬时传力能力不足。在对结构的 研究和计算中他们发现了四种防止进一步倒塌发生的方法。这些方法是：提 高活载，全梁加固，连续的底部加固，提供张拉膜 [10]

。

在 Hawkins的基础上，Mitchell(1984)致力于研究结构破坏后防止进一步 倒塌的研究。他使用一个能模拟几何和材料非线性性质的电脑程序预测不同 类型的典型板结构在失效后的反应。抵抗机理是在对结构初始失效研究后出 现的，他是用来研究遭到破坏后的板在加支撑的情况下继续使用的必要 [11] 。

1.3.2 第二次高潮

1995年美国Alfred P .Murrah联邦大楼倒塌之后，对建筑物进行防止连续 性倒塌的研究进入了第二个高潮。通过对此次事故的调查和研究，人们得出 一些防止建筑物连续性倒塌的有效措施，并且形成了一些对设计具有参考价 值的建议。 Longinow [12]

描述了爆炸作用下结构表现出来的破坏机理，并且提出一些

建筑物遭遇汽车炸弹袭击作用时减轻结构损害和人员伤亡的建议。文中比较 了1992年世贸中心遭遇汽车炸弹袭击事故和1995年Alfred P .Murrah联邦大楼

遭遇汽车炸弹袭击事故的不同，得出结构体系的不同是造成不同程度连续性 倒塌的主要原因。该文最后指出，像钢结构或现浇混凝土框架这样的超静定 结构体系，在炸弹袭击下通常可以有效的进行荷载重分配从而阻止建筑物发 生连续性倒塌。 Corley

[13]

则主要研究了Alfred P .Murrah联邦大楼发生倒塌的机理以及减6

轻这种连续性倒塌应当采取的措施，并总结出可供参考的结构设计过程：首 先，假定结构可能遭受的较为合理的偶然作用以及采用的结构防护水平，选 择合适的结构体系来抵抗这种偶然作用，对可能直接遭受偶然作用的局部构 件进行特殊的设计，并对结构进行弹塑性分析，确定结构单元是否失效。 Gilmour et al.(1998)

[14]

提出 PROCSIE 程序，采用准静态和有限元的方法

对钢筋混凝土框架结构的连续倒塌进行分析和模拟框架结构的倒塌过程。 Williams et al.

[15]

提出了一种研究爆炸对建筑物破坏的简单方法。他指出

钢筋混凝土结构容易在构件节点处发生破坏,因为在节点处容易形成塑性铰 或产生塑性屈服。他推荐给工程师一个当构件达到塑性阶段时大量铰发生转 动和屈服的曲线倒塌机理。通过屈服曲线可以计算发生倒塌时需要的荷载。 虽然这种方法非常简单,但它可用来计算外部荷载作用下的近似值。 Yarimer(2000) [16]

提出了能模拟建筑倒塌动力的简单块模型,在块模型中,

倒塌的结构由通过很多的小变形区域彼此联系的有三个自由度的大块代替, 这三个自由度为水平位移、转角和水平剪力。这种机理已经被通过应用块模 型编成了计算机软件。由于种类数目较小,解决过程加快,对多种设计方法可以 在短时间内做出选择,而且费用也很低,所以建筑师和土木工程师喜欢在设计 阶段应用此方法。

1.3.3 第三次高潮

在Alfred P .Murrah联邦大楼倒塌之后，研究人员一直没有停止对结构连 续性倒塌问题的研究，在这期间也产生了不少研究成果，但是直到2001年9 月，美国世贸中心遭到撞击并发生整体倒塌之后，对这个问题的研究才达到 了一个至高点。

2001年清华大学陆新征和江见鲸对纽约世界贸易中心受飞机撞击后的倒 塌进行了力学分析和仿真

[17]

，并根据计算结果进行了参数讨论。仿真计算的

结果与真实倒塌过程非常接近，说明通过适当的选取计算参数和计算模型， 可以对这种特殊的复杂破坏过程进行模拟分析和仿真。如果能够提高结构的 抗火能力或者提高结构的延性，将有可能避免结构倒塌，避免惨剧再次发生。 Low [18]

对钢筋混凝土板的抗剪和抗弯性能与各种因素的关系进行了进一

步的分析。研究结构表明在高强度短作用时间的爆炸荷载作用下结构容易发 生剪切破坏,在低强度长作用时间的爆炸荷载作用下容易发生弯曲破坏。 2003年美国加州的Steven M.Baldridge [19]

研究一榀12层多跨三维钢筋混

凝土框架结构防连续倒塌的模拟分析。研究表明，抗震框架结构本身具有较 好的抗连续性倒塌性能，并提出如果选择合适的结构体系，在不增加建筑造7 价的情况下，可以达到防止建筑物连续倒塌的目的。Robert Smilowitz则从框 架结构传力机理的角度分析防止建筑物遭到恐怖袭击而产生的连续倒塌问 题，提出在首层局部设置转换梁的办法，来解决一旦首层某根柱遭到爆炸袭 击后，防止建筑物的连续倒塌。

2004年，印度的H.Abbas,N.K.Gupta,M.Alam [20]

等人采用有限元理论，对

建筑物的梁和板进行了冲击荷载下的反应分析。得出了进行冲击荷载分析时 一种合适和有效的钢筋混凝土材料模型，同时得出了梁和板选取得裂缝的应 变值对于问题的分析具有一定的敏感性。目前，在恐怖主义频频袭击某些国 家重要建筑的情况下，如何对结构进行合理的设计，才能保证建筑物在遭到 恐怖袭击或意外撞击的情况下，依然能够在短期内维持结构的整体稳定性， 从而为人员的逃生和营救赢得时间，成了一些国家安全部门的重要任务。 在此期间，研究者们提出了很多关于连续倒塌的分析方法及设计建议， 并 编 制 了 相 关 的 分 析 与 设 计 规 程 ， 如 美 国 GSA [21]

(General Service Administration)、 DoD [22]

(Department of Defense) 和英国标准 [23] (British

Standard)发布的相关规程等，近期日本也编制了结构倒塌控制设计规程 [24-25] 。

1.4 研究内容

我国现行混凝土结构设计规范 GB50010 第 3.1.6 条规定 [26]

：结构应具有

整体稳定性，结构的局部破坏不应导致大范围倒塌。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，缺乏可操作性。因此要对国 外的研究进展进行充分得调研分析，在借鉴和参考的基础上，合理地建立适 合我国国情的钢筋混凝土框架结构抗连续性倒塌机理。

框架结构在爆炸荷载下的反应，特别是其破坏过程和极限承载力的研究

非常重要。对于此方面的研究可借助于模型试验来测定其受力性能。但用模 型试验，受到场地、设备等诸多因素的限制，只能作小比例模型试验，很难

完全反映实际结构情况。而用计算机进行模拟分析，则可以经济、安全地进 行模型研究。这也是将来研究发展的趋势。

因此借鉴国外的相关研究成果，结合我国实际，主要进行以下内容工作： （1）参考国外已有的抵抗建筑物发生连续性倒塌的有关设计规范，在此

基础上总结结构抗连续倒塌分析方法，并对几种分析方法进行方法进行比较， 提出本文所采用的分析方法。

（2）基于有限元理论，建立合理的框架结构有限元模型。通过对静力模 型在荷载作用下的计算， 研究关键部位在受到破坏时对框架结构的破坏影8 响。

（3）针对结构在偶然作用下发生连续性倒塌提出了不同的防护措施。9 第二章 结构抗连续倒塌能力分析方法

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，其中美国公共事务管理局编制的《联邦政府办公楼以及大型现代建筑 连续倒塌分析和设计指南》（GSA2003）和美国国防部编制的《建筑抗连续 倒塌设计》（DoD2005）则较为详细的阐述了结构抗连续倒塌的设计方法及 流程。 因此，本章对国外主要的抗连续倒塌设计规范（如美国GSA 2003， DoD 2005、ASCE2002、 欧洲EuroCode 1等）中相应的抗连续倒塌设计条文 进行了总结和比较，并在此基础上总结了一些结构抗连续倒塌的设计概念和 几种主要的设计方法，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。

2.1 国外有关抵抗连续性倒塌设计方法

2.1.1 英国规范规程

自从1968年英国的Ronan Point公寓楼发生倒塌之后，英国的设计规范就 相应作了修正。1976建筑规程 [27]

（Building Regulations）规定：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： （1）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。

（2）构件的跨越能力设计：在建筑物的外围和内部的梁之间设置有效的 水平系杆，并在柱和墙体之间设置竖向系杆，保证结构体系具有较高的冗余 度，当部分构件因偶然作用而失效时，结构有能力形成备用荷载路径，能够 在修复基准期内维持结构的整体稳定性。当起拉结作用的系杆不能发挥作用 时，若某一支承构件(柱或承重墙)失效，结构应当被设计成有较好的跨越能 力，能够发挥结构本身的悬链作用把破坏限制在局部。结构设计时，则可以 通过“拿掉”某一根结构构件来分析结构是否具有防止连续性倒塌的潜能。 （3）关键构件设计：针对没有跨接能力的构件(例如小型的建筑物)而言， HMSO(英国皇家文书局)规定这种构件应当被设计成能够抵抗34kN/ 2

m 的附

加设计压力，这个压力是根据Ronan Point倒塌事故中煤气爆炸对墙板产生的 压力规定的。10

英国将抗连续倒塌设计方法纳入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