建筑結構防連續倒塌設計方法研究

馬曉華 孫麗軍 尹有軍 喬安宇

(大連市建筑設計研究院有限公司，遼寧大連 116021)

建筑結構的安全問題是結構設計中的首要問題。近年來，由于撞擊、爆炸等偶然荷載造成的建筑結構損壞時有出現，這些偶然荷載一旦對建筑結構的主要受力構件造成破壞，并引發連續性的結構倒塌，將造成非常嚴重的損失［1］。

我國《混凝土結構設計規范》2010版的修訂中，考慮到“911”事件中紐約世貿中心的2棟110層高樓在遭到飛機撞擊后相繼倒塌和汶川大地震中框架結構嚴重破壞的事例，著重強調了提高結構的整體穩固性，以避免出現結構的連續倒塌。相應地引入了:1)整體穩固性;2)重要構件冗余約束性、超靜定結構體系、多條傳力路線;3)防連續倒塌設計等內容和概念［2］?？梢哉f混凝土設計規范的修訂，強調了以防連續倒塌為目的的整體結構設計。

本文首先分析了連續倒塌設計的基本思想，之后對荷載組合方式、設計的指標、分析步驟等具體問題進行了論述，最后提出了設計和構造措施。本文可以在防連續倒塌領域的具體設計上，為工程技術人員提供一些有益的參考。

1 連續倒塌的概念及設計思路

連續倒塌是指初始的局部單元破壞向其他單元擴展，最終導致結構大范圍區域的或者整體性的倒塌。

連續倒塌一般是由偶然荷載引發。偶然荷載是指在結構使用過程中出現概率較小，持續期很短的荷載。如:火災、爆炸、車輛撞擊、人為破壞、施工缺陷、基礎的不均勻沉降、對結構的不適當處理。這些非常規荷載因素都可能造成結構的損壞，如在設計階段沒有妥善地對結構進行防連續倒塌設計，那么上述偶然因素造成的連鎖性反應，均可能造成災難性的后果。統計顯示，15%～20%的倒塌是由上述因素造成的。

防連續倒塌設計以將偶然因素導致的損失減小至可接受程度為目標。各國針對防連續倒塌設計制訂了不同的規范:如英國規范(BS)、美國土木工程學會規范(ASCE)、美國總務署(GSA)、美國國防部(DOD)、紐約規范(NYC)等。就設計思想而言，包括針對構件的抗倒塌設計、針對荷載傳遞路徑的抗倒塌設計和針對結構體系的抗倒塌設計三個層次。從設計方法而言，主要包括了局部加強法、拉結構件法和拆除構件等基本方法。

1.1 設計思想

第一層次對于構件而言，稱為關鍵構件設計。特別是那些可能直接遭受意外荷載作用的關鍵構件，如工業建筑中危險源周邊的結構構件，容易遭受車輛撞擊的結構外邊柱等等。對這些關鍵構件應進行加強或者進行保護性設計。這一方法的優點是設計對象明確，設計方法可以沿用傳統方法。其缺點是由于突發事件本身難以預測，成功做到單一結構構件在突發事件下不發生破壞，其可能性較低。

第二層次設計思想是以變換傳荷路徑法為基礎形成的。其原理是在部分結構構件已經發生破壞或喪失功能的基礎上，通過形成有效的備用荷載傳遞路徑來提高結構的二次承載能力。也就是說通過有效的應力重分布來承擔由于局部構件失效造成的影響，從而有效地減少發生坍塌的范圍。

第三層次是針對結構體系的設計。其重點是對結構進行有效的分區，以將破壞限制在受破壞區的范圍內，減少結構整體連續倒塌的可能。這種設計適用于多跨橋梁、廠房等結構層數少同時平面尺寸較大的結構。對于高層建筑而言，由于不能有效的控制倒塌范圍，這一方法的使用受到限制。

1.2 局部加強法

局部加強法是指提高可能遭受偶然作用而發生局部破壞的重要豎向構件和關鍵傳力部位的安全儲備。設計時可以直接提高重要構件承載力(尤其是受剪承載力)和延性，對鋼結構也可提高鋼構件的耐火性能。局部加強法也可以直接考慮偶然作用進行設計，如英國規范要求考慮意外設計荷載34 kN/m2(5 psi)，此荷載按橫向及豎向分布作用于承重及圍護結構，每次作用考慮一個方向。

1.3 拉結構件法

抗拉結力設計是在結構局部豎向構件失效的條件下，建筑結構內部形成拉結力。內部拉結力分為水平拉結和豎向拉結。水平拉結來自縱向、橫向和外圍拉結力?？v向拉結是來自柱和承重墻的拉結力。拉結設計的目的是保證結構在發生局部破壞時，其屋面或樓面的荷載對結構的拉力，能夠有效地被梁柱系統承擔。對于圖1不同位置的結構構件，應該分別滿足以下要求:

1)結構內部的梁和樓板要保證具有基本的拉結力，并且應保證與周邊的拉結體系錨固良好。

2)由于周邊框架梁承擔錨固其內部的梁和樓板傳遞的拉結力，因此其不能小于同方向相鄰內部構件的拉結力。

3)墻/柱的豎向拉結要求自基礎至屋面連續貫通，并且大于各層中水平拉結力的最大值。

圖1 提高結構整體性的不同類型拉結

拉結設計主要保證上述構件滿足其所處位置的拉結強度要求，計算中按新的計算簡圖，采用梁、懸索、懸臂的拉結模型繼續承載受力。由于這種方法針對構件進行，對于復雜結構而言，簡化程度較高，可靠性低，也不能有針對性地對某一位置的破壞進行設計和驗算。

1.4 設計方法——拆除構件法

拆除構件法是目前用于設計分析的最常用方法，也稱為變化荷載路徑法(Alternate Path Method)。其基本方法如圖2所示。其中X處表示對原結構框架柱的拆除。該法是目前對連續倒塌針對性最強，可靠性最高的一種設計方法。美國的DOD2005規范和GSA規范都采用了這一方法。

圖2 拆除構件法的圖示

2 連續倒塌分析

目前國內外的連續倒塌分析主要以基于拆除構件法的數值計算和室內結構倒塌模擬試驗兩個途徑來實現。

2.1 連續倒塌的計算分析

計算方法包括靜力計算法，靜力非線性計算法，動力線性計算法，動力非線性計算法。當應用于10層和10層以下的規則結構時可采用線性分析;對10層以上的結構和非規則結構則必須采用非線性方法。靜力分析和動力分析的差別在于前者采用了動力方法系數考慮動態效應，后者則使用時程分析考慮動態效應，這一方法比靜力分析更加復雜，分析結果更加接近實際。

分析之初應首先明確計算的荷載組合。表1比較了幾種國外規范［3-6］中的組合方式。

表1 連續倒塌分析中的荷載組合

從表1可見，由于連續倒塌的產生幾率并不高，在設計中活載、風荷載、雪荷載等荷載的組合系數均較小。風荷載的引入主要是保證結構橫向仍然有一定的穩定性。豎向的恒載在連續倒塌中起主導作用，在ASCE規范中將偶然荷載進行了組合，而在英國規范中，偶然荷載設為34 kN/m2，用來對關鍵構件進行驗算。

根據美國總務署(GSA)頒布的“連續倒塌的分析與設計導則”，連續倒塌分析的步驟如下:

1)建立有限元模型。

2)對未破壞結構進行靜力分析，利用計算結果，確定失效的關鍵構件。

3)去掉失效構件，將由于該構件失效引起的動力荷載組合施加在結構上，對模型進行動力分析，如果在這一過程中有其他構件失效，則移除該構件，同時將其上的荷載分配到周圍構件上。

4)讀取非線性時程分析的結果。

5)基于狀態參量來估計計算結果。判斷結構的抗倒塌性能。

狀態參量的選擇主要考慮韌性指標和轉角變形兩項指標。其中韌性指標為作用能力比(Demand-Capacity Ratio，DCR)，計算如式(1):

其中，S為作用，即分析所得構件或節點承受的作用;R為能力，即構件或節點的極限承載能力。

在動力分析中，對于框架梁，取其支撐處的撓度超過其跨度的10%時作為構件失效。再進行倒塌判斷，如倒塌部分的面積超過15%，則認為出現連續倒塌。

目前多數結構計算軟件PKPM和SAP等均可進行靜力分析。而動力的連續倒塌分析一般采用通用軟件實現，如可用有限元動力分析軟件LS-DYNA，利用其材料庫中的鋼筋混凝土整體模型以及接觸算法進行鋼筋混凝土結構的動力分析。

2.2 連續倒塌試驗

連續倒塌問題相當復雜，計算模型中包含著大量的假設和簡化。因此，在連續倒塌領域，試驗研究也是一個方向。近年來的一些抗倒塌性能試驗研究，為連續倒塌理論提供了大量的成果。

單榀框架的倒塌試驗顯示［8］，倒塌過程中結構首先是從彈性狀態向塑性狀態轉化，然后隨著塑性鉸區域的混凝土剝離，結構體系由受彎為主的塑性機構變為受拉為主的懸索機構。最終的破壞形式為框架梁的鋼筋拉斷，使框架完全倒塌。由于塑性階段的荷載僅相當于懸索機構荷載的70%，因此采用塑性機構計算框架結構的防連續倒塌能力是合理的。

3 連續倒塌設計和構造措施

我國規范中還未對連續倒塌提出具體的設計和構造措施，這里通過對國內外研究現狀的歸納，總結出以下的設計方法，供工程技術人員參考。

3.1 防連續倒塌設計方法

根據梁益［11］采用拆除構件法的研究結果，建筑頂部邊梁強度對框架結構防連續倒塌能力的貢獻較大。應該在滿足強柱弱梁原則的基礎上，提高頂部(尤其是頂層)框架梁的配筋，改善頂部結構的跨越能力，從而提高框架結構抗倒塌能力。

框架結構的邊柱或角柱喪失承載能力時，有效的跨間支撐將會大大提高結構的防倒塌能力。

在框架結構體系中，在框架柱失效時，大柱距會減弱結構二次分散荷載的能力，因此較小柱距可提高框架結構的防倒塌能力。

3.2 構造措施

對于板柱結構體系，通過將板底部鋼筋正確錨入柱內，在梁柱體系內形成有效的拉結力，具有明顯的作為銷鍵后期受剪作用。底部連續配筋還可在柱上懸掛破壞的樓板，起到懸鏈作用，從而減少發生連續倒塌的可能性(如圖3所示)。

圖3 底部鋼筋的作用

懸挑結構本身不利于二次傳荷路徑的形成，因此有抗倒塌需求的結構中應慎重使用。但若在底層建筑周邊采用懸挑結構，由于建筑外墻處豎向構件較少，能降低車輛撞擊對底層柱的影響。

構造措施主要用于提高結構的整體性，值得注意是，很多用于抗震設計的構造措施也能夠起到抵御連續倒塌的效果，在設計中也可以采用。例如采用芯柱或螺旋箍筋的框架柱的承載力和變形能力較高，可以提高結構的防連續倒塌穩固性。

值得注意的是，對于不同的結構體系，其發生連續倒塌的機理不同，如RC框架結構和剪力墻結構中，對底部縱向受力鋼筋的布置進行強化，通常是要求適當的縱筋搭接構造，以滿足拉結力要求。而對于大跨空間結構而言，其構件以受拉為主，防倒塌設計中要求這些構件應具有一定的受壓承載力。對于預制裝配式樓面—墻板體系而言，最重要的是改善其連接構造，同時提高其強度。對于鋼框架應充分保證梁柱連接節點的抗彎與抗拉強度?？傊?，應該結合結構的特點采用適宜的防連續倒塌設計方法和構造措施。

4 結語

1)根據我國現行《混凝土結構設計規范》2010的防連續倒塌設計思想，概括了目前國內外常用的防連續倒塌設計方法。

2)比較了各國規范中的荷載組合方式，介紹了防連續倒塌設計方法和步驟。拆除構件法是實際結構設計中最廣泛應用的方法，可以用通用軟件實現其抗倒塌指標的求解。

3)總結了設計和構造措施，應該結合結構的特點采用適宜的防連續倒塌設計方法。

［1］ 葉列平，陸新征，李 易，等.混凝土框架結構的抗連續性倒塌設計方法研究［J］.建筑結構，2010，40(2):1-7.

［2］ GB 50010-2011，混凝土結構設計規范［S］.

［3］ Structural Use of Concrete:Part 1:Code of Practice for Design and Construction.BS 811021［S］.London:BSI，1997.

［4］ Eurocode I:Actions on Structures，Part 127:General Actions Accidental Action.EN19912127［S］.Brussels，2006.

［5］ Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Project.GSA2003［S］.Washington DC:General Services Administration，2003.

［6］ Design of Structures to Resist Progressive Collapse.DoD 2010(UFC4-023-03)［S］.Washington DC:Department of Defense，2009.

［7］ 胡曉斌，錢稼茹.結構連續倒塌分析與設計方法綜述［J］.建筑結構，2006，36(S1):79-83.

［8］ 易偉建，何慶鋒，肖 巖.鋼筋混凝土框架結構抗倒塌性能的試驗研究［J］.建筑結構學報，2007，28(5):104-109，117.

［9］ 江曉峰，陳以一.建筑結構連續性倒塌及其控制設計的研究現狀［J］.土木工程學報，2008，41(6):1-8.

［10］ 胡慶昌，孫金墀，鄭 琪.建筑結構抗震減震與連續倒塌控制［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［11］ 梁 益，陸新征，李 易，等.國外RC框架抗連續倒塌設計方法的檢驗與分析［J］.建筑結構，2010，40(2):8-12.