结构抗连续倒塌设计研究

摘要：結构安全性问题是结构设计中考虑的首要问题，对于安全等级要求较高的建筑还应进行抗连续倒塌设计，即结构某部位在偶然荷载作用下发生局部破坏时，结构能保证结构的整体稳定性。本文阐述了国内外在结构抗连续倒塌方面研究的主要成果，提出提高结构抗连续倒塌能力的措施。

关键词：连续倒塌，抗连续倒塌设计

1引言

结构的连续倒塌是指由于偶然荷载作用造成结构的局部破坏，并引发连锁反应导致破坏向结构的其它部位扩散，最终导致整个结构或整个结构的一个主要部分发生破坏[1]。造成结构连续倒塌的原因很多，总体上可以分为三类：第一类是施工或设计的失误；第二类是地震、火灾等偶然荷载；第三类是煤气爆炸、恐怖袭击等偶然事件。结构一旦发生连续倒塌，就会造成严重的人员伤亡和财产损失，因此有必要对结构进行抗连续倒塌设计。

结构抗连续倒塌能力定义为当结构因偶然事件或局部严重超载而造成部分构件突然失效时，结构能自行调整内力，阻止破坏过程的延续，从而保证结构不发生整体破坏的能力。现行国外的规范中都有详细规定，而在我国规范中也有简要说明。例如《建筑结构可靠度设计统一标准》规定，对偶然荷载工况进行承载能力极限状态设计时，原则之一即是“允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而发生局部破坏，剩余部分具有在一段时间内不发生连续倒塌的可靠度”。上述所提到的“连续倒塌”可以理解为结构由于偶然事件或局部严重超载，造成整个结构体系内的部分单元超出承载能力而失效，原来作用于结构上的荷载在剩余结构上重新分布，剩余结构承载条件发生变化，进而引发部分构件发生失效而引起新一轮的荷载分布，这个过程一直持续到结构找到平衡状态。在此定义中，整个结构或某大部分结构的连续倒塌是由偶然事件造成的局部破坏的扩展和蔓延导致的。

2倒塌分析方法

一般结构设计强调整体结构抵抗荷载作用的能力，即结构在工作状态能够承受最大的荷载值，而结构抗连续倒塌设计考察结构发生局部破坏后，剩余部分抗倒塌的能力。因此，结构抗倒塌设计不同于一般的结构设计。目前，各国规范中涉及到的分析方法主要有：概念设计措施、拉结强度法、关键构件法和拆除构件法。

2.1概念设计措施

概念设计主要是在结构设计时，通过采取一些构造措施使结构具有足够的整体性、延性和牢固性，从而改善结构抗连续倒塌的能力。通常情况，风荷载和地震荷载作用已经在结构设计中予以考虑，结构本身就具备足够的整体性、延性和牢固性，能在一定程度上抵制连续倒塌[2]。根据具体情况采取一些概念设计措施，通常可以在不增加过多造价的基础上取得良好的效果[3]。概念设计一般的做法如下：合理的结构布置，避免存在薄弱处；加强连接构造，保证结构的整体性和连续性；提高冗余度，保证多条荷载传递路径；采用延性材料和延性构造措施，实现延性破坏；；墙和柱能承受一定的横向荷载。

2.2拉结强度法

拉结强度法是指在结构中通过现有构件和连接进行拉结，保证结构具有足够的整体性、牢固性和多条荷载传递路径[4]。该方法主要是在结构设计时控制最小配筋率，并对构件进行有效拉结，保证结构具有足够的整体性、牢固性和多条荷载传递路径。结构中的拉结按照方向可分为水平拉结和垂直拉结，按照位置和作用又可分为内部拉结、周边拉结、外柱及角柱拉结和墙拉结以及垂直拉结四种类型[5]。拉结时应遵循：内部拉结时应使传力路线贯穿结构；周边拉结时应保证传力路线沿外表面连续；结构设计时，可利用现有构件进行拉结，也可充分发挥钢筋的锚固进行拉结；外墙柱和角柱拉结时传力路线可不贯通结构，但必须与结构内部有效连结；垂直拉杆应设置在柱或承重墙中。拉结强度设计无需对整个结构进行受力分析，比较简便易行，但由于计算模型过于简化，其参数的经验性成分较多。对于复杂结构，其可靠性和经济性也存在问题。

2.3关键构件法

结构中某承重构件因意外荷载作用破坏退出工作后，可能造成大范围倒塌，应将其按关键构件进行设计，通过采取一定的构造措施，使其具有足够的强度抵御意外荷载的作用。在British Standard 和Eurocode1 中，要求关键构件每个方向能够承受额外的荷载作用。将上述描述的构件设计为关键构件，当此处发生破坏时能在一定程度上将局部破坏限制在允许的范围内，降低结构连续倒塌的可能性。在结构设计时应将该法与拆除构件法相结合，在保证经济性前提下，有效改善结构抗连续倒塌能力。

2.4拆除构件法

拆除构件法假定某主要承重构件破坏，分析结构是否形成“搭桥”能力，从而判断结构是否发生连续倒塌。拆除构件法可采用线性静力分析、非线性静力分析、线性动力分析和非线性动力分析。（1）线性静力分析是四种方法中最简单易行的方法。其主要步骤是在施加荷载之前静力移除某承重构件，并对剩余结构静力施加重力荷载。该方法简单易行，对荷载的处理比较简单，得到的结果偏保守该方法的优点是步骤简单，但没有考虑材料非线性和动力特性，不宜用于复杂和大型结构的抗连续倒塌能力分析。（2）非线性静力分析即抗震分析中的“pushover 分析”方法，它是对结构体系进行非线性全过程分析，通过逐步加大荷载值直到最大荷载值或最大位移，用该方法可以评价承受侧向荷载结构的延性性能。考虑了材料非线性的影响，但分析相对复杂，需要确定力与位移关系曲线，没有考虑动力特性的影响，结果偏保守，适用于相对简单的结构。（3）线性动力分析可以动态分析结构竖向支撑构件移除过程，模拟结构真实的线弹性运动全过程。与等效静力法相比，线性动力分析法得到的结果更精确，对考虑结构动力特性的影响更合理。该方法考虑了动力特性的影响，但没有考虑材料的非线性，建立模型和分析过程复杂耗时，还需对结构进行时程分析，当结构可能产生较大塑性变形时，对动力特性影响的考虑可能不合理。（4）非线性动力分析较上述三种分析方法能够更合理地对结构在偶然荷载作用下进行连续倒塌分析，该方法同时考虑了材料非线性和动力效应，得到更合理的结果，但建立模型和分析过程复杂耗时，而且很难对分析结果做出正确评价，通常情况下，需要对分析结果进行独立验证，如果基本假定不合理或建模不合理都可能影响结果的准确性，在分析过程中，为了缩短结果收敛的时间，通常需要限制非线性单元的数量。

3提高结构抗连续倒塌能力的措施

目前常用的可以提高结构抗连续倒塌能力的措施：

（1）底层部位受力不利，宜抬高底层地面标高，降低被机动车辆撞击的概率。

（2）对于角柱部位，应采取防护措施避免其遭受外荷载作用。

（3）在满足使用功能要求前提下，宜减小柱距和梁跨度，或采用连续梁板结构。

（4）延性指结构屈服后，具有足够塑性变形能力的特性。具有延性的结构能抵抗冲击荷载和爆炸荷载作用，避免发生脆性破坏。可对角柱部位以及靠近底层部位进行特殊设计保证其具有一定的延性，比如以强柱弱梁为设计原则或采用具有延性的材料。

（5）保证结构的超静定性，可采用以下方法增强结构超静定性：采用连续梁体系，保证体系多余约束；增加竖向承重构件数量，降低承重构件的承载值；尽量采用小开间结构。

4小结

随着建筑工程的发展，结构的抗连续倒塌能力对结构的安全性逐渐显现。我国在抗连续倒塌方面研究起步比国外晚，且目前规范中还未提出相关规定，本文总结了国内外结构抗连续倒塌的分析方法，提出了提高结构抗连续倒塌能力的方法。目前，对抗连续倒塌的分析成果有限，仍需开展大量研究工作，使其更好地应用于工程设计实践。

参考文献

[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，陆新征.结构抗连续倒塌的拉结强度设计方法，第10 届全国混凝土[31]结构基本理论及工程应用学术会议论文集，大连，pp:391～396.2008.8.1～4

作者简介：姓名：华夏（出生：1972-），性别：女，民族：汉，籍贯：河南省固始县人，职称：工程师，学历：本科，单位：固始县城建局宏基建筑勘察设计室，研究方向：工业与民用建筑的设计及施工的合理化研究工作