框架结构连续倒塌研究现状

侯耿峰 周全武 吴赵强

0 引言

结构连续倒塌(progressive collapse)是指由于部分构件的破坏引起在水平和竖直方向结构的连锁破坏而造成整个结构或大部分结构的倒塌。近年来因非常规荷载如强震、撞击、爆炸等原因造成的此类倒塌事故屡见不鲜,所导致的人员伤亡和财产损失更是触目惊心。这些惨痛的教训让我们清醒地认识到连续性倒塌分析与设计的迫切性与重要性。

国外对连续倒塌研究开展得比较早,迄今为止已有40年的历史。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,目前,英国的 British Standard、欧洲的 Eurocode1、加拿大的NBCC等均有关于如何改善结构抗连续倒塌能力的规定,美国总务管理局编制的GSA2003和国防部编制的DOD2009则较为详细的阐述了结构抗连续倒塌的设计方法及流程。日本、俄罗斯也编制了结构倒塌控制设计规程。

国内学者在该领域的研究成果还比较有限,国内现行结构设计规范和标准基本未涉及抗连续倒塌问题。本文对结构连续倒塌分析与设计方法的研究现状进行了归纳和比较,为今后学者开展相关研究提供参考。

1 结构连续倒塌分析

连续倒塌分析的目的是确定结构抵抗非常规荷载的能力,检验结构关键部件的承载能力或者检验当某个关键部件移除后荷载的重分布能力。从分析过程看,连续倒塌分为连续倒塌风险评估和连续倒塌仿真。前者采用合适的方法对已有建筑或拟建建筑进行连续倒塌风险分析,主要应用于抗连续倒塌设计;后者则对结构连续倒塌的全过程进行模拟。

1.1 连续倒塌判定准则

合理的破坏准则是进行连续性倒塌分析的前提。目前连续倒塌常用的破坏准则有变形准则、强度准则或由两种经过组合而形成的双重破坏准则,如GSA2003标准规定线性分析采用强度破坏准则能力需求比DCR;非线性分析采用支座转角、变形以及相应的延性等变形破坏准则。但是我们应该认识到破坏的概念很大程度上适用于结构个别构件,而结构连续倒塌往往是表现在整体破坏上,是针对整个结构的,故判定连续倒塌的准则还有待于进一步研究。

1.2 连续倒塌风险评估

连续倒塌是一个由平衡到不平衡再到平衡或破坏的复杂动力发展过程。连续倒塌风险评估分析方法按照是否考虑非线性和动力效应分为:线弹性静力分析、非线性静力分析、线弹性动力分析和非线性动力分析;按照分析对象的初始状态不同分为:针对意外荷载进行分析、针对局部破坏进行分析。

1.3 连续倒塌仿真

综合运用固体力学理论和非线性有限元数值分析技术,对结构连续倒塌的全过程进行仿真,是当前研究工作的前沿。目前有四种倒塌仿真方法:1)修正有限元法;2)离散单元法或散体单元法;3)在已有的有限元软件的基础上进行二次开发;4)直接采用显式动力有限元分析软件,如LS-DYNA。

2 结构抗连续倒塌设计

结构的抗连续倒塌设计考虑的是因意外事件导致部分构件失效退出工作后,剩余结构的抗倒塌能力,其设计目标和计算模型与一般结构设计情况有所不同,目前学术界普遍采用的结构抗连续倒塌设计方法主要有事件控制法、间接设计法、直接设计法。

2.1 事件控制法

事件控制法要求突发事件在发生前即予以控制或通过设置防护栏等隔离危险源,使非常规荷载无法作用到建筑上,是结构设计以外的一类措施。

2.2 间接设计法

间接设计法从结构的整体性、延性、冗余度和构造等结构设计概念出发来改善结构的抗连续倒塌能力,实际上一种概念设计,主要通过拉结强度设计法来实现。拉结强度法是通过在结构中设置水平和垂直的拉结筋,有效地将结构连接在一起,保证了结构的整体牢固性,同时提供给结构在局部破坏后的备用荷载传递路径,限制破坏的发展,避免连续倒塌的发生。由于该方法的计算模型过于简化,选取参数的经验性成分较多,故其可靠性和经济性存在一定问题。

2.3 直接设计法

直接设计法是对明确的结构破坏或荷载进行设计和验算,包括局部抵抗偶然荷载方法和改变传力路径法。

局部抵抗偶然荷载设计方法要求建筑及局部具有足够的强度来抵抗既定的偶然事件造成的偶然荷载,这种方法要求预测作用于结构上的偶然作用类型及其量值,然后对关键构件进行承载能力极限状态分析,进而设计并提高关键构件的安全度,使其具有足够的强度在一定程度上抵御偶然荷载作用。

改变传力路径法通过“拿掉”可能遭受破坏的结构构件来模拟它的初始破坏,通过有限元法验算“剩余结构”的强度,保证结构具有多荷载传递路径,允许一定程度的破坏而不发生坍塌,如果结构发生连续倒塌,则对“拿掉”的构件和相邻构件进行加强,否则不必加强。该方法主要关注结构因偶然事件引起局部破坏后的整体反应,而和引起结构局部破坏的原因无关,适用于任何意外事件下的结构破坏分析,是目前国外抗连续倒塌设计的主流方法。

3 结论与展望

1)目前的结构倒塌分析对结构倒塌的原因、过程及后果不作考虑,实际上还必须进行包括倒塌在内的全过程分析,而这必将涉及不连续位移场描述、接触—碰撞分析以及结构倒塌过程中的大位移、大转动等难点,此外现有的连续倒塌设计也多局限于构造层次上的概念设计,故更加高效完善的分析、设计方法亟待研究。2)由于失效荷载模拟、数据采集等较有难度,且倒塌具有不可重复性,结构连续倒塌试验研究非常少,没有可靠的实际观测和试验数据验证计算机仿真分析的准确性,故试验研究有待进行。3)应在国外研究成果的基础上,结合我国的国情提出合适的分析设计方法。

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