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结构技术探讨—国内外防连续倒塌设计思路概要

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来源:非解构 如有侵权请联系删除 什么是“连续倒塌”?        “连续倒塌”,一种建筑工程界的灾难事件,每次发生几乎都伴随着大量人员伤亡和财产损失,土木工程专业从业者应该对这个名词不会陌生,那究竟什么是“连续倒塌”呢?先来看看这几个工程实例。       1968年5月16日,伦敦Ronan Point地区一高层公寓,18层一单元煤气爆炸破坏房间外墙板,使得整栋楼的角部发生多米诺骨牌效应从上到下坍塌至底层,这就是历史上著名的“罗兰”倒塌事件(图一)。该次事故中共有4人死亡和17人受伤。

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什么是“连续倒塌”?

       “连续倒塌”,一种建筑工程界的灾难事件,每次发生几乎都伴随着大量人员伤亡和财产损失,土木工程专业从业者应该对这个名词不会陌生,那究竟什么是“连续倒塌”呢?先来看看这几个工程实例。

      1968年5月16日,伦敦Ronan Point地区一高层公寓,18层一单元煤气爆炸破坏房间外墙板,使得整栋楼的角部发生多米诺骨牌效应从上到下坍塌至底层,这就是历史上著名的“罗兰”倒塌事件(图一)。该次事故中共有4人死亡和17人受伤。

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       美国俄克拉荷马州联邦大楼是一座9层钢筋混凝土结构的政府职能大楼。1995年4月19日恐怖分子引爆炸弹导致联邦大楼大规模破坏,结构整个立面完全倒塌,附近的几栋建筑也遭到不同程度的破坏(图二)。这次事故导致168人死亡和超过500人受伤。

       2001年9月11日,美国两架波音767飞机遭到劫持分别撞击世贸中心的北楼和南楼。受冲击层的上部向下部的坍塌引起了连续性坍塌(图三)。此次事件直接造成了3000多人的死亡和巨额财产损失,严重冲击了美国和世界经济,甚至影响了今后数十年的世界格局。

       我国也存在很多连续倒塌事件,如:湖南衡阳大厦特大火灾倒塌事件,石家庄特大连环爆炸事件和湖南邵阳“1.31”特大爆炸事件中居民楼的倒塌,广东九江大桥发生“船撞桥塌”事故中的桥面坍塌等。

        美国土木工程师协会(ASCE)在《建筑或其它结构最小设计荷载》中将“连续倒塌”定义为:初始局部破坏从构件到构件不断传播,导致结构最终发生整体倒塌或与初始破坏不成比例的大范围的局部倒塌。

        所谓“连续倒塌”是指结构由于偶然荷载作用产生局部破坏,进而造成相邻连接构件发生连续破坏,最终导致结构发生大范围的局部倒塌或者整体倒塌。上述几个事件,“偶然性”和“不成比例的破坏”是其共同特征,都是由于撞击、爆炸等偶然荷载的作用导致某一根结构构件失效,进而导致结构整体或大范围产生破坏。


“连续倒塌”产生的原因

        具体分析其倒塌原因,罗兰公寓的结构体系为装配式混凝土板式结构,承重墙板和楼板全部预制,图四为公寓的墙板典型连接构造节点。各预制板之间的节点仅有齿槽灌浆相连而无钢筋连接,结构缺乏整体性和足够的冗余度,当18 楼套间的外墙被炸飞后,结构没有足够的荷载传递路径,因此产生了连锁坍塌反应。

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       俄克拉荷马州联邦大楼的倒塌的直接原因,则是由于爆炸炸断了结构底层的一根框支柱,导致相邻两根柱子受剪严重破坏,柱所支承的转换梁失效,从而转换梁上支承的柱子失效,上部楼板的塌落依次传递下去,最终导致结构整个立面的完全倒塌。

       世贸中心大厦是由于飞机撞击后产生的巨大冲击破坏以及大火燃烧引起的高温导致钢材的软化,进而导致局部楼层的塌落,塌落冲击荷载一层层的向下传递,最终导致大楼轰然倒塌。从这次倒塌事故来看,虽然也是局部破坏最终导致整个大楼的倒塌,但是在遭遇如此巨大的飞机撞击而大面积破坏后结构尚能维持稳定,经过大火燃烧一小时后才倒塌,为灾害发生后的营救提供了宝贵的时间,可以说世贸中心双塔的结构己经表现出了良好的抗连续倒塌性能。


各国规范是如何防“连续倒塌”设计的?

        自RONAN POINT公寓发生“连续倒塌”事件以后,英国、美国、加拿大、日本等发达国家都进行了相关的研究工作,并陆续在规范中增加了关于如何改善结构抗连续倒塌能力的规定。下面来看看各国规范是如何做的吧。

        1)美国

        美国《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《建筑抗连续倒塌设计》(Do D2009) 较为详细的阐述了结构的抗连续倒塌设计方法和流程。目前,国内外大多数学者的抗连续倒塌研究均以这两本规范为主要依据。

        GSA2003提出了判断建筑是否可以免于进行抗连续倒塌分析的流程图,若倒塌风险较高,则将采用拆除构件法对结构的抗连续倒塌能力进行评估。拆除构件法是将结构中的部分构件拆除,模拟结构的初始破坏,通过有限元法分析结构中部分构件拆除后的剩余结构的强度,判断结构是否会发生连续倒塌。这种方法的实质是增强结构的冗余度,提供有效的备用传力途径,因此又被称为“替代路径设计法”(Alternate Path Method)。

        与 GSA2003 相比,Do D2009 对要求做抗连续倒塌性能分析的建筑进行分类。针对不同的分类标准采用拉结构件法、拆除构件法和附加的延性要求等进行设计。拉结构件法通过合理设置结构构件以及对构件间的连接进行验算来保证构件的连接,从而保证结构的整体性和备用荷载传递路径。拉结方式上分为水平拉结和竖向拉结;从受力机制上,水平拉结包括梁机制悬索机制。图五为构件拉结示意图。

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       2)英国

       为防止结构发生连续倒塌,英国规范设计过程分为三个步骤:(l)在结构体系中设置拉结系杆以提高结构的整体性;(2)通过移除构件的方式来检查结构的局部破坏,以确保局部失效不会造成结构大面积不成比例的连续倒塌;(3)确定结构的关键构件且优先经过特殊设计,以确保该构件在偶然荷载下不会失效。

       3)欧洲其他国家

       欧洲采用的方法与英国类似,但在设计过程中引入了三个设计准则,一是排除或减少爆炸等一些可产生偶然荷载的源头。二是从结构受力性能考虑保证结构的连续性以及有足够的冗余度,如拉结构件法等。三是对关键受力构件进行的重点设计,可通过利用构件的悬索作用而将破坏限制在局部。

       4)中国

       我国规范中《混凝土结构设计规范》3.6节和《建筑抗震设计规范》3.5节作了少许规定,此外2014年编制的工程建设协会标准《建筑结构抗倒塌设计规范》规定较为详细,规范中将抗连续倒塌设计方法归纳为四类:概念设计、拉结构件法拆除构件法局部加强法

       结构概念设计主要从方案布置、整体性、延性、冗余度等方面入手以增强结构的抗连续倒塌能力,降低结构连续倒塌的风险。但是概念设计难以量化,严重依赖设计人员的水平和经验。典型的实例有成都双流国际机场T2航站楼与成都市规划展览馆等。

       拉结构件法、拆除构件法与GSA2003、DoD2009的方法较为相似,我国规范中详细说明了线性静力法、非线性静力法、非线性动力法三种分析方法的拆除过程,包括荷载的取值,动力放大系数,荷载的施加,构件破坏的判断标准等关键问题,可操作性强,是目前使用的最广的方法。图六为国内某美术馆部分结构的抗连续倒塌分析,通过依次拆除结构角柱分析剩余结构是否存在备用荷载传递路径以防止连续倒塌。

       局部加强法又称关键构件法,在我国规范中规定较少。

       5)各国规范的异同

       设计方法可分为直接设计法和间接设计法,概念设计和拉结构件法属于间接设计法,而拆除构件法和局部加强法则属于直接设计法。直接设计需要对结构进行量化和模型化,而间接设计主要通过构造措施来保证,不考虑偶然荷载的作用。图七为各国规范的异同,其中“●”表示详细规定,操作性强;“〇”表示有采用,但操作性不强;“X”表示只是提及或不采用。


结语

       随着我国经济的发展,越来越多的大型公共建筑物要求进行抗连续倒塌设计和评估,如奥运水立方、莫斯科中国贸易中心、虹桥综合交通枢纽等。因此建筑结构的抗连续倒塌问题成为当前我国工程界关注的热点之一。但是相比其他工程防灾减灾问题而言,抗连续倒塌问题的研究时间不长,且是一个复杂的动态过程,至今还没有一个国家能就此提出精确、定量的计算方法。同时我国新建大型公共建筑数量众多,但抗连续倒塌设计却较少,在加强建筑结构的防“连续倒塌”设计上,我们土木人仍“道阻且长”,但我坚信“行则将至”。


 

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