結構抗連續倒塌設計研究

摘要：結構安全性問題是結構設計中考慮的首要問題，對于安全等級要求較高的建筑還應進行抗連續倒塌設計，即結構某部位在偶然荷載作用下發生局部破壞時，結構能保證結構的整體穩定性。本文闡述了國內外在結構抗連續倒塌方面研究的主要成果，提出提高結構抗連續倒塌能力的措施。

關鍵詞：連續倒塌，抗連續倒塌設計

1引言

結構的連續倒塌是指由于偶然荷載作用造成結構的局部破壞，并引發連鎖反應導致破壞向結構的其它部位擴散，最終導致整個結構或整個結構的一個主要部分發生破壞[1]。造成結構連續倒塌的原因很多，總體上可以分為三類：第一類是施工或設計的失誤；第二類是地震、火災等偶然荷載；第三類是煤氣爆炸、恐怖襲擊等偶然事件。結構一旦發生連續倒塌，就會造成嚴重的人員傷亡和財產損失，因此有必要對結構進行抗連續倒塌設計。

結構抗連續倒塌能力定義為當結構因偶然事件或局部嚴重超載而造成部分構件突然失效時，結構能自行調整內力，阻止破壞過程的延續，從而保證結構不發生整體破壞的能力?，F行國外的規范中都有詳細規定，而在我國規范中也有簡要說明。例如《建筑結構可靠度設計統一標準》規定，對偶然荷載工況進行承載能力極限狀態設計時，原則之一即是“允許主要承重結構因出現設計規定的偶然事件而發生局部破壞，剩余部分具有在一段時間內不發生連續倒塌的可靠度”。上述所提到的“連續倒塌”可以理解為結構由于偶然事件或局部嚴重超載，造成整個結構體系內的部分單元超出承載能力而失效，原來作用于結構上的荷載在剩余結構上重新分布，剩余結構承載條件發生變化，進而引發部分構件發生失效而引起新一輪的荷載分布，這個過程一直持續到結構找到平衡狀態。在此定義中，整個結構或某大部分結構的連續倒塌是由偶然事件造成的局部破壞的擴展和蔓延導致的。

2倒塌分析方法

一般結構設計強調整體結構抵抗荷載作用的能力，即結構在工作狀態能夠承受最大的荷載值，而結構抗連續倒塌設計考察結構發生局部破壞后，剩余部分抗倒塌的能力。因此，結構抗倒塌設計不同于一般的結構設計。目前，各國規范中涉及到的分析方法主要有：概念設計措施、拉結強度法、關鍵構件法和拆除構件法。

2.1概念設計措施

概念設計主要是在結構設計時，通過采取一些構造措施使結構具有足夠的整體性、延性和牢固性，從而改善結構抗連續倒塌的能力。通常情況，風荷載和地震荷載作用已經在結構設計中予以考慮，結構本身就具備足夠的整體性、延性和牢固性，能在一定程度上抵制連續倒塌[2]。根據具體情況采取一些概念設計措施，通?？梢栽诓辉黾舆^多造價的基礎上取得良好的效果[3]。概念設計一般的做法如下：合理的結構布置，避免存在薄弱處；加強連接構造，保證結構的整體性和連續性；提高冗余度，保證多條荷載傳遞路徑；采用延性材料和延性構造措施，實現延性破壞；；墻和柱能承受一定的橫向荷載。

2.2拉結強度法

拉結強度法是指在結構中通過現有構件和連接進行拉結，保證結構具有足夠的整體性、牢固性和多條荷載傳遞路徑[4]。該方法主要是在結構設計時控制最小配筋率，并對構件進行有效拉結，保證結構具有足夠的整體性、牢固性和多條荷載傳遞路徑。結構中的拉結按照方向可分為水平拉結和垂直拉結，按照位置和作用又可分為內部拉結、周邊拉結、外柱及角柱拉結和墻拉結以及垂直拉結四種類型[5]。拉結時應遵循：內部拉結時應使傳力路線貫穿結構；周邊拉結時應保證傳力路線沿外表面連續；結構設計時，可利用現有構件進行拉結，也可充分發揮鋼筋的錨固進行拉結；外墻柱和角柱拉結時傳力路線可不貫通結構，但必須與結構內部有效連結；垂直拉桿應設置在柱或承重墻中。拉結強度設計無需對整個結構進行受力分析，比較簡便易行，但由于計算模型過于簡化，其參數的經驗性成分較多。對于復雜結構，其可靠性和經濟性也存在問題。

2.3關鍵構件法

結構中某承重構件因意外荷載作用破壞退出工作后，可能造成大范圍倒塌，應將其按關鍵構件進行設計，通過采取一定的構造措施，使其具有足夠的強度抵御意外荷載的作用。在British Standard 和Eurocode1 中，要求關鍵構件每個方向能夠承受額外的荷載作用。將上述描述的構件設計為關鍵構件，當此處發生破壞時能在一定程度上將局部破壞限制在允許的范圍內，降低結構連續倒塌的可能性。在結構設計時應將該法與拆除構件法相結合，在保證經濟性前提下，有效改善結構抗連續倒塌能力。

2.4拆除構件法

拆除構件法假定某主要承重構件破壞，分析結構是否形成“搭橋”能力，從而判斷結構是否發生連續倒塌。拆除構件法可采用線性靜力分析、非線性靜力分析、線性動力分析和非線性動力分析。（1）線性靜力分析是四種方法中最簡單易行的方法。其主要步驟是在施加荷載之前靜力移除某承重構件，并對剩余結構靜力施加重力荷載。該方法簡單易行，對荷載的處理比較簡單，得到的結果偏保守該方法的優點是步驟簡單，但沒有考慮材料非線性和動力特性，不宜用于復雜和大型結構的抗連續倒塌能力分析。（2）非線性靜力分析即抗震分析中的“pushover 分析”方法，它是對結構體系進行非線性全過程分析，通過逐步加大荷載值直到最大荷載值或最大位移，用該方法可以評價承受側向荷載結構的延性性能?？紤]了材料非線性的影響，但分析相對復雜，需要確定力與位移關系曲線，沒有考慮動力特性的影響，結果偏保守，適用于相對簡單的結構。（3）線性動力分析可以動態分析結構豎向支撐構件移除過程，模擬結構真實的線彈性運動全過程。與等效靜力法相比，線性動力分析法得到的結果更精確，對考慮結構動力特性的影響更合理。該方法考慮了動力特性的影響，但沒有考慮材料的非線性，建立模型和分析過程復雜耗時，還需對結構進行時程分析，當結構可能產生較大塑性變形時，對動力特性影響的考慮可能不合理。（4）非線性動力分析較上述三種分析方法能夠更合理地對結構在偶然荷載作用下進行連續倒塌分析，該方法同時考慮了材料非線性和動力效應，得到更合理的結果，但建立模型和分析過程復雜耗時，而且很難對分析結果做出正確評價，通常情況下，需要對分析結果進行獨立驗證，如果基本假定不合理或建模不合理都可能影響結果的準確性，在分析過程中，為了縮短結果收斂的時間，通常需要限制非線性單元的數量。

3提高結構抗連續倒塌能力的措施

目前常用的可以提高結構抗連續倒塌能力的措施：

（1）底層部位受力不利，宜抬高底層地面標高，降低被機動車輛撞擊的概率。

（2）對于角柱部位，應采取防護措施避免其遭受外荷載作用。

（3）在滿足使用功能要求前提下，宜減小柱距和梁跨度，或采用連續梁板結構。

（4）延性指結構屈服后，具有足夠塑性變形能力的特性。具有延性的結構能抵抗沖擊荷載和爆炸荷載作用，避免發生脆性破壞?？蓪侵课灰约翱拷讓硬课贿M行特殊設計保證其具有一定的延性，比如以強柱弱梁為設計原則或采用具有延性的材料。

（5）保證結構的超靜定性，可采用以下方法增強結構超靜定性：采用連續梁體系，保證體系多余約束；增加豎向承重構件數量，降低承重構件的承載值；盡量采用小開間結構。

4小結

隨著建筑工程的發展，結構的抗連續倒塌能力對結構的安全性逐漸顯現。我國在抗連續倒塌方面研究起步比國外晚，且目前規范中還未提出相關規定，本文總結了國內外結構抗連續倒塌的分析方法，提出了提高結構抗連續倒塌能力的方法。目前，對抗連續倒塌的分析成果有限，仍需開展大量研究工作，使其更好地應用于工程設計實踐。

參考文獻

[1] Eillingwood Bruce R. Mitigating Rise from Abnormal Loads and Progressive Collapse. Journal of Performance of Constructed Facilities,2006,20(4):315～323

[2] Hayes J R, Woodson S C, Pekelnicky R G. Can strengthening for earthquake improve blaséand progressive collapse resistance[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,2006,131(8):1157～1177

[3] UFC 4-023-03, Design of Structures to Resist Progressive collapse[S]. Washington D C:Department of Defense, USA, 2005

[4] 李易，陸新征.結構抗連續倒塌的拉結強度設計方法，第10 屆全國混凝土[31]結構基本理論及工程應用學術會議論文集，大連，pp:391～396.2008.8.1～4

作者簡介：姓名：華夏（出生：1972-），性別：女，民族：漢，籍貫：河南省固始縣人，職稱：工程師，學歷：本科，單位：固始縣城建局宏基建筑勘察設計室，研究方向：工業與民用建筑的設計及施工的合理化研究工作