混凝土结构抗连续倒塌研究综述

钱 凯，李 易

(1. 桂林理工大学 广西建筑新能源与节能重点实验室,广西 桂林 541004；2. 北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京 100124)

0 引 言

美国土木工程师学会(ASCE)将偶然荷载引起的结构破坏沿构件传递，并引发连锁反应，最终导致整体结构倒塌或与初始局部破坏不成比例的大范围倒塌定义为连续倒塌[1]。中国在《建筑结构抗倒塌设计规范》(T/CECS 392:2021)[2]中将连续性倒塌定义为由初始的局部破坏，从构件到构件扩展，最终导致一部分结构倒塌或整个结构倒塌。最具代表性的连续倒塌事件包括英国伦敦罗南角公寓倒塌事故、美国俄克拉玛城炸弹袭击事件中默拉联邦政府办公楼倒塌事件和美国“9·11”恐怖袭击事件造成的世贸中心双子塔倒塌事件。

1968年英国罗南角公寓的倒塌首次引起了学界和工业界对建筑结构抗连续倒塌的关注。图1为罗南角公寓连续倒塌示意图，该幢公寓的倒塌始于18层煤气爆炸造成的预制承重外墙失效。在失去承重外墙后，上部4层楼板发生坍塌并冲击18层楼板。巨大冲击荷载造成18层楼板破坏并一起跌落，破坏从上到下直至第4层(该层采用现浇，整体性较强)。英国国家房屋调查中心和伦敦帝国理工学院共同对罗南角公寓事件进行了调查研究，发现由于该建筑施工和设计存在缺陷，其内墙和外墙分别在1.7 kPa和21 kPa的压力下就会发生破坏。除了承重墙和墙板连接的设计缺陷外，楼板与外墙的施工也存在巨大隐患。在该事件中爆炸本身产生的冲击力仅有不到70 kPa，然而破坏范围却远远大于爆炸冲击产生的初始损伤，这让工程界意识到连续倒塌问题的严重危害。

图1 罗南角公寓连续倒塌Fig.1 Progressive Collapse of Ronan Point

图2 默拉联邦政府办公楼破坏范围Fig.2 Failure Boundaries of Murrah Federal Building

1995年美国默拉联邦政府办公楼遭受了爆炸袭击，导致办公楼整个正面外墙在爆炸中毁坏，共计168人死亡，680多人受伤，附近地区的300多座建筑在爆炸中出现不同程度的损伤。造成事故的直接原因是一辆装载1 820 kg硝酸铵炸弹的货车在事发办公楼正面被引爆，导致距离爆炸中心仅4.9 m的底层G20柱发生严重破坏[3]。设计当初为了满足大楼入口的大开间需要，该柱上部设置了跨度为12.2 m的大型转换梁。在底层G20柱失效后，该转换梁及其上部3～9层柱随之发生破坏并导致底层G16柱和G24柱发生剪切破坏，最终导致如图2所示的大面积倒塌。事故调查报告显示，该大楼根据1971年启用的美国混凝土协会(ACI)设计规范，按普通框架结构设计。在这种设计中，并未考虑结构柱的移除或爆炸波反向作用效应等可能导致结构发生倒塌的极端工况。因此，一旦单个或多个关键构件由于意外荷载失效，可能会导致该结构发生大范围的倒塌。总之，大跨转换梁是该结构发生大规模连续倒塌的主要原因。此后，人们开始意识到应将结构抗连续倒塌性能目标引入设计规范并加以合理考虑，新建结构应当有足够的冗余度、整体性及鲁棒性来面对可能存在的连续倒塌风险。

2001年9月11日，纽约世贸中心双子塔遭受2架波音飞机连续撞击，在飞机冲击动能和后续火灾高温共同作用下，一号楼(WTC1)与二号楼(WTC2)先后发生连续倒塌。在设计之初，考虑到世贸中心作为当时最高建筑有遭遇飞机撞击的可能性，结构设计具有较强的冗余度，能够承受波音飞机的撞击。然而，在遭遇大面积撞击之后，后续发生的火灾进一步导致钢结构主要承重构件承载力退化，最终整体结构发生连续倒塌。该事件使得人们把目光再次聚焦到结构抗连续倒塌问题，对建筑结构抗连续倒塌的研究达到从来没有过的新高潮。

在中国，仅2020年就发生了多起倒塌事件。2020年3月福建泉州欣佳酒店发生倒塌，事故发生前底层柱的违规焊接作业及前期使用功能的改变导致倒塌事故的发生，造成29人死亡，42人受伤，直接经济损失5 794万元[4]，引起了比较恶劣的社会影响。2020年8月，哈尔滨玉手食品有限责任公司在装修拆改过程中，对房屋部分承重墙体实施拆除作业，发生库房部分楼体倒塌事故，造成9人死亡，1人受伤，直接经济损失达2 602.28万元[5]。

由上述案例可看出公共建筑的连续倒塌具有灾难性的后果。考虑到结构的舒适性及耐久性，钢筋混凝土结构是最为常见的一种结构形式。因此，本文将从规范设计方法、试验研究、抗力理论计算模型以及数值模拟4个方面，对钢筋混凝土结构抗连续倒塌研究进展进行总结，并对将来需要开展的研究工作及关键科学问题做出总结。

1 结构抗连续倒塌规范及设计方法

1.1 结构抗连续倒塌规范

图3给出了1960年至2020年间国内外发生的连续倒塌代表性事件及相关规范修订的时间[6]。

图3 连续倒塌代表性事件及相关规范制定时间线Fig.3 Time Line of Representative Progressive Collapse Events and Related Specifications

罗南角公寓倒塌后，英国在1970年修订的建筑规范[7]中首次增加了最小冗余度这一要求。该规范修订的背景是二战后经济复苏，为满足快速建设的需求，全预制装配式结构得以广泛应用。为使结构能够提供最低水平的整体性与冗余度，规范要求多层框架建筑在失去单个或多个构件后，能够承受重新分配后的重力荷载。目前使用的欧洲规范[8-9]则是借鉴了英国规范[10]中的相关条款，并给出了连续倒塌风险评估的具体方法和操作步骤。

美国在罗南角公寓事件后，也启动了结构抗连续倒塌的相关研究工作。基于对混凝土楼板剪力墙体系的研究，美国住房与城市发展部于1971年提出了与英国建筑法规[7]方法类似的专用规范[11]，然而该规范对结构的冗余度要求较低。美国ACI 318规范[12]中指出，根据工程经验，改进配筋构造，如支座处钢筋连续贯通和钢筋端部弯起等，能够显著地提升结构整体性。对于预制装配式结构，则应采用纵向、横向和竖向拉结。虽然该规范建议了保证结构整体性和延性所应采取的措施，但是同样没能提供抗连续倒塌的具体设计条例。此外当时工程技术人员并未对结构抗连续倒塌设计足够重视，人们普遍认为ACI 318规范[12]中规定的最低拉结强度能够保证结构不发生连续倒塌，对结构进行抗连续倒塌专门设计是不经济且不必要的[13]。直至1995年默拉联邦政府办公楼以及2001年世贸中心相继遭遇恐怖袭击倒塌后，许多规范在后续修订版本中才增加了结构抗连续倒塌的相关设计条款。ASCE7-05[14]提出了增强结构整体性的具体规定，要求结构构件必须具备足够的连续性、冗余度及延性，能够将原先由初始局部损伤构件承载的荷载有效地传递到周边构件，从而提高结构的整体稳固性。GSA2003[15]是第一个真正意义上的抗连续倒塌设计规程，它对既有和新建建筑分别提出了连续倒塌评估的具体流程，并给出了提升新建建筑抗连续倒塌能力的具体方法。针对一般结构，该指南给出了最大延性比和转角限值等设计指标，有利于计算评估。然而，该规范在阐述荷载施加位置、分析流程及如何确定危险位置等方面不够明确，所倡导的线性静力分析方法也存在明显不足，设计指标也缺乏试验数据支撑。UFC 4-023-03[16]起初主要用于评估军用建筑的抗倒塌性能，该规范所采用的直接设计法与间接设计法分别为荷载替代路径法和拉结强度法，这2种方法都基于荷载抗力系数方法。该规程为结构抗连续倒塌提供了更加具体的设计流程，尤其是对于荷载替代路径法的说明也更加详细，论据充分，这极大地帮助了设计人员更好地了解抗连续倒塌性能及鲁棒性。

加拿大于1975年颁布的国家建筑设计规范[17]也对结构的整体性和冗余度提出了要求，指出结构在发生局部破坏后应该具有不发生大范围坍塌的能力。该规范不仅创新性地提出了设计时应考虑的极端事件出现概率，还提供了拉结强度法、局部加强法和荷载替代路径法等具体的设计步骤。

澳大利亚在结构设计规范AS/NZS 1170.0:2002[18]中加入了结构抗连续倒塌的一般原则，以确保结构能够满足最低程度的连续性、延性和强度，从而满足有效替代路径的形成条件。然而，该规范并没有明确地提出保证结构冗余度的具体方法。此外，该规范中对于薄弱构件以及连接强度的评估比较笼统，主要依靠实践经验[19]。因此，现行法规[20]在NCC-2016的基础上针对不同建筑物的设计等级引入了采用局部加强法和荷载替代路径法的一般性规定。例如，如果一个结构中单个构件需要承受超过25%的结构抗力就必须对该结构进行系统评估，将已识别的风险最小化。

中国对于结构抗连续倒塌的研究起步相对较晚。《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068—2001)[21]第一次明确地对结构的整体性做出要求，指出在意外荷载作用下，局部的破坏不应导致结构发生连续倒塌。由于2008年汶川地震引发了大量建筑物的倒塌，在《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[22]第3.6节中，首次将混凝土结构抗连续倒塌的设计原则纳入国家标准，给出了结构抗连续倒塌的设计目标和有关概念设计原则。此外，诸多结构设计规范，如《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[23]和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[24]等也对建筑结构的抗连续倒塌做出了相关规定。然而，上述规范中并没有包括具体的定量设计方法，尽管对设计和工程人员有一定指导意义，但可操作性较差。2015年5月1日，《建筑结构抗倒塌设计规范》(CECS 392:2014)[2]正式施行，这也是中国的第一部抗倒塌专用设计规范，2021年修订完成的《建筑结构抗倒塌设计标准》(T/CECS 392—2021)[25]已于2022年3月1日起代替前者施行。该规范中对建筑结构在火灾工况、施工改造等阶段的抗连续倒塌设计提出了具体要求，具有较强的可操作性和工程实用性。

1.2 结构抗连续倒塌设计方法

目前抗连续倒塌设计规范主要将抗连续倒塌设计方法分为事件控制法、间接设计法以及直接设计法。事件控制法是对建筑物发生连续倒塌后可能带来的危害进行评估，通过加强安全监控和防护，减少意外事件的发生，从而降低结构的倒塌风险。由于加强安保等手段不属于结构工程科学问题范畴，本文对此不做详细讨论。下文主要对间接设计法和直接设计法进行介绍。

图4 典型拉结种类示意图Fig.4 Schematic Diagram of Typical Ties

间接设计法包括概念设计法与拉结强度法。概念设计法是通过提高结构的冗余度来增强其整体性和鲁棒性，从而提高结构的抗连续倒塌能力。常用的概念设计法包括：采用合理的结构布置形式以避免结构中存在明显薄弱部位；增强结构的冗余度；加强构件间的连接，如采用连续配筋以及节点区域采用延性构造。然而，此方法过多依赖工程设计人员的经验，因此在实际工程设计中难以量化。拉结强度法是对结构的拉结力提出要求，使得意外事件发生后，结构中的各构件可以有效拉结在一起，从而间接地提高结构的连续性、延性和冗余度。图4为典型拉结种类示意图，根据构件的位置和作用不同，可将拉结强度法分为内部拉结、外围拉结、边柱或角柱拉结以及柱与墙体的竖向拉结4种类型。该设计方法对建筑物平面几何结构和整个高度范围内荷载路径的连续性有额外要求，即不允许荷载路径的方向发生变化(必须保证是一条直线)，因此该方法往往应用于风险等级较低的建筑。然而，由于该方法计算模型较为简单，目前仍有部分学者对此方法的具体设计条例存在异议[26-30]。

直接设计法又分为局部加强法和荷载替代路径法。局部加强法是通过对特定的关键构件(柱、承重墙等)进行专门设计或局部加强，从而确保构件在意外荷载作用下不发生严重破坏。这种方法主要运用特定的关键构件，但由于很难准确预测意外荷载的大小，在实际设计中此方法很难应用，并且容易造成不安全设计结果。

目前常用的抗连续倒塌设计方法为替代荷载路径法(图5)，该方法不考虑初始局部破坏的原因，主要关注剩余结构的荷载重分配能力，因此该方法独立于意外荷载。在抗连续倒塌试验设计时，假定移除特定的1根或多根柱子等承重构件，然后分析剩余结构的内力和变形，评估结构的冗余度及其发生连续倒塌的概率。如果该构件无法找到新的替代荷载传递路径，则被视为“关键构件”。文献[15]、[16]、[31]等设计规范均建议采用该方法进行设计，对于高风险等级的建筑则必须采用该方法进行设计。

图5 替代荷载路径示意图Fig.5 Schematic Diagram of Alternate Load Path

2 试验分析

由于钢筋混凝土结构在连续倒塌大变形下的受力行为复杂，研究首先借助试验手段对典型子结构及其关键构件和节点的大变形受力机理开展分析。在过去10余年，国内外研究人员对混凝土结构梁柱子结构、梁板子结构、板柱子结构及预制预应力子结构开展了系列试验，下面按照不同结构类型分别对重要试验研究进行介绍。

2.1 框架结构

(1)梁柱子结构

为研究混凝土结构的抗连续倒塌性能和机理，国内外学者基于替代路径法对梁柱子结构开展了广泛的拟静力试验研究[32-48]。易伟建等[32-33]完成了中柱失效下三层四跨平面框架的拟静力加载试验(图6)，讨论了结构倒塌过程中抗力机制的转化，发现基于塑性极限状态理论得到的框架结构承载力相对于试验值偏于保守。文献[34]～[37]讨论了梁的跨高比等几何尺寸对压拱机制抗力的影响，发现梁压拱机制承载力随着跨高比的降低而提高。Sasani等[38]研究了纵筋搭接对悬索机制承载力的影响。Stinger等[39]对非连续配筋和连续配筋的梁柱子结构开展了拟静力Pushdown试验，发现连续配筋可以显著提高框架的弯曲机制，但由于塑性铰区转动能力的限制，其对大变形阶段的承载能力提高并不明显。Qian等[40]对不同配筋构造的梁柱子结构展开拟静力Pushdown试验，结果表明采用抗震配筋可以显著提升钢筋混凝土框架结构的抗连续倒塌性能。然而，Yu等[41-42]通过试验对比抗震配筋和非抗震配筋子结构的抗连续倒塌性能，发现抗震设计对于构件在抗剪方面的优势对抵抗竖向连续倒塌并非同样有效。为提高结构的抗连续倒塌性能，Yu等[43]提出了3种构造措施。Li等[44-47]对不同梁端配筋构造和节点锚固形式的钢筋混凝土梁柱子结构展开拟静力试验，讨论了高温对结构抗连续倒塌机制和破坏机理的影响。钱凯等[48]对梁柱节点区发生钢筋锈蚀的子结构展开拟静力Pushdown试验，发现钢筋锈蚀会改变裂缝发展顺序以及钢筋的断裂位置，并会明显削弱结构的承载能力。

图6 平面框架Fig.6 Planar Frame

图7 单自由度模型Fig.7 Single Degree of Freedom Model

α=1.04+0.45/(θpra/θy+0.48)

(1)

Qian等[55]基于改进的等效单自由度模型进一步验证了基于能量法预测动力极限承载力的有效性，并提出了全新的动力荷载放大系数α′的概念，即

(2)

式中：F1为静力极限承载力；F2为动力极限承载力。

考虑到已有规范的动力放大系数预测模型完全基于大量数值模拟结果的回归，缺乏理论基础，提出了基于延性系数μ的统一的动力荷载放大系数理论模型[式(3)][60]，该模型准确性更好，也同样适用于钢结构等其他结构类型。

α=1.0+μ/(0.5-μ)

(3)

(2)梁板子结构

图8 梁板子结构Fig.8 Beam-slab Substructure

采用简化的二维子结构研究结构的抗连续倒塌机理时不能反映次梁和楼板的作用，因此需要对三维梁柱和梁板子结构展开研究。Qian等[51,61]对L形和十字形空间框架梁柱子结构展开拟静力试验，讨论了不同配筋细节、跨高比对钢筋混凝土结构抗连续倒塌性能的影响。Rashidian等[62]对比了平面框架子结构和T形空间梁柱子结构的连续倒塌性能，表明T形空间框架第3根梁的存在可以提高结构的抗弯能力和延性。然而，忽略楼板的空间作用往往会低估框架的荷载重分配能力。Qian等[63-64]通过梁板子结构的动力和拟静力倒塌试验量化了楼板的抗力贡献(图8)，发现楼板的拉膜效应可提供高达68%的抗力。Ren等[65-67]完成了梁板子结构在中柱失效和边柱失效下的拟静力试验研究，考虑了构件截面尺寸、楼板配筋和抗震等级对梁板子结构抗力机制的影响。然而文献[64]～[66]将楼板作为翼缘进行考虑(图9)，不能准确评估楼板的空间荷载重分布能力及大变形阶段的拉膜作用。Yu等[68]对钢筋混凝土梁板子结构进行12点加载试验，表明梁板子结构的抗力机制包括：小变形阶段梁板的弯曲机制和压拱机制；大变形阶段梁的悬索机制和楼板的拉膜机制。钱凯等[69]在楼板堆放混凝土块模拟楼板承受的均布荷载，通过缓慢收缩下部千斤顶模拟柱子失效。如果下部千斤顶完全回缩不会导致结构倒塌，随后通过上部千斤顶施加额外集中力测试结构极限承载力，讨论了梁板子结构在不同加载阶段的抗力机制。

图9 单向梁板子结构Fig.9 One-way Beam-slab Substructure

(3)空间框架结构

图10 空间框架结构Fig.10 Spatial Frame Structure

为了进一步揭示梁板框架结构的抗连续倒塌机理，国内外学者针对单层框架模型[70-72]和多层框架模型[73-82]以及多层足尺结构[83-86]开展了试验研究。典型框架结构倒塌试验如图10所示[73]。Hou等[70]分析了整体框架在倒塌过程中经历的4个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段、由悬索机制和拉膜机制共同作用的大变形阶段。杜轲等[71-72]讨论了板厚和去柱位置的影响。Xiao等[73-74]开展了1/2缩尺三层3×3跨的空间框架结构的动力去柱试验，结果表明结构在梁端约束能力不足时不能有效发展悬索机制，进而引发局部倒塌。王少杰等[75]对中柱失效下双层框架子结构进行拟静力倒塌试验，发现楼板对梁的约束作用可以推迟甚至避免塑性铰的出现，但约束过大可能会导致柱端先出现塑性铰，从而导致侧向倒塌。此外，其他学者[76-82]也开展了多层空间框架结构的连续倒塌试验，讨论了不同设计参数对空间框架抗倒塌的影响规律。Bermejo等[82-85]展开了系列现场原位试验，通过炸药对部分竖向承重构件进行爆炸拆除，研究多层和高层结构的荷载重分配能力。结果表明：空腹机制是框架结构抗连续倒塌的主要机制之一。

(4)不同试验方法

图11 拟静力试验装置Fig.11 Quasi-static Test Setup

替代路径法(拆除构件法)无需考虑初始破坏的影响，具有独立于意外荷载的优点，因此被广泛应用于试验研究。基于替代路径法的基本思路，连续倒塌试验按照加载方式可以分为静力试验和动力试验。静力试验事先移除试件的部分承重构件模拟其因为意外荷载失效，然后借助地面以及试验装置对其锚固以模拟实际周围框架的约束，最后采用加载装置对试件进行力控制或位移控制加载。静力试验施加的荷载类型包括集中力和分布力。试验加载时一般将集中力直接施加在失效柱上方，加载装置简单(图11)，操作方便，但是与实际结构受力差异较大，有时梁-板-柱节点会出现冲切破坏，与实际不符。为避免集中力加载带来的失真作用，Qian等[64]提出了多点加载装置近似模拟结构实际受到的均布荷载(图8)，对比实际增加堆载方式模拟均布荷载，多点加载方式采用的位移控制更容易获取抗力退化段的抗力方程，在临界破坏时位移控制也比堆载更加安全。然而在大变形阶段难以保证多点加载装置平均分配荷载，与实际均布荷载差异会变大。尽管静力试验可以获取结构损伤发展全过程和抗力机制的演变，但是忽略了结构的动力效应。为此开展相应的动力试验研究瞬间去柱下结构动力响应并总结动力效应必不可少。动力试验首先通过堆载重物或者悬挂重物模拟正常使用阶段的均布荷载，然后通过瞬间去柱研究动力响应及结构荷载重分配的动态过程。为了达到瞬间去柱的目的，一般采用2种等效方法：①失效柱下方采用便于拆除的竖直支撑，通过特殊构造使支撑瞬间失去承重能力，如图12(a)、(b)所示[64]；②采用吊钩承受失效柱原本应该承受的荷载，然后通过释放吊钩模拟柱子瞬间失效，如图12(c)、(d)所示[87]。此外，高超等[88]通过爆炸拆除承重柱。方法1比较安全，也相对容易满足瞬间去柱时间的要求。方法2比较稳定，但是去柱时间过长，容易不符合瞬间去柱要求从而低估动力效应。文献[88]方法最准确，但是不稳定也比较危险，因此使用的也最少。动力试验可以获得结构在给定荷载下的结构动力响应，但是难以观测到构件的变形以及损伤发展。上述试验方法具有不同的优点和局限性，可以运用于不同目标的研究中，对增加人们对结构抗连续倒塌机理的认识具有重要意义。

(5)去柱工况的影响

前人[33-34,36,41]基于中柱失效工况下的试验研究了结构抗连续倒塌的各种抗力机制，包括RC梁的弯曲机制、压拱机制、悬索机制，RC楼板的压膜机制、拉膜机制，还有考虑梁-柱体系的Vierendeel机制。除了弯曲机制，其他抗力机制都被称为非常规抗力机制。在实际结构中角柱和边柱更容易受到极端荷载的破坏[89]，因此有必要研究不同去柱工况下钢筋混凝土框架的荷载重分配能力，以期为全面评估不同失效柱位置对结构造成的倒塌风险提供可靠依据。Qian等[40，90]开展了边柱失效下梁柱子结构的连续倒塌试验，发现在边柱失效工况下，次梁和主梁的破坏模式存在很大差异，次梁不能发展有效的压拱机制和悬索机制而主梁可以。Diao等[91-92]完成了边柱失效下梁柱子结构的倒塌试验，讨论了不对称水平约束下子结构的破坏模态和抗力机理。Yu等[68]研究了边柱失效下梁板子结构的抗力机制，发现边柱节点约束强度对抗力机制发展影响很大。Dat等[93-94]完成了角柱和边柱失效工况下梁板结构的拟静力倒塌试验，结果表明不同失效工况对子结构悬索机制的发展产生明显影响，但是由于其柱子底部约束为铰支座，没有明显压拱机制和压膜机制发展。Qian等[51，61，63]研究了角柱失效下梁柱子结构和梁板柱子结构的抗力机制和动态响应，发现空腹机制可明显提升角柱失效下框架结构的承载力，角柱的剪切破坏不能忽视，与上述研究有所不同。Du等[72]讨论了同一空间框架结在5种去柱工况(内柱失效、短跨角柱失效、长跨角柱失效、对称方向边柱失效、非对称方向边柱失效)下的倒塌机理，表明内柱失效工况下框架结构具有足够的荷载重分配能力，而角柱失效下单跨梁表现为悬臂梁，此时空间作用对承载力的影响可以忽略不计。假设角柱失效下梁为悬臂梁比较保守，实际上空腹机制不能忽略。

图12 动力试验装置Fig.12 Dynamic Test Setup

极端意外荷载(如爆炸、恐怖袭击、汽车撞击)可能造成多柱失效，而多柱失效很大程度上增加了结构的倒塌风险。Xiao等[73]通过试验发现角柱和次边缘柱拆除后结构依然保持弹性状态，然而当同时拆除大跨度方向相邻两柱时，结构却出现了局部倒塌。Qian等[95-96]研究了角柱和边柱同时失效下框架结构的抗倒塌性能，发现该失效工况下的梁板柱子结构反应与悬挑板比较接近，无法形成有效的二次抗力机制(比如压膜机制、压拱机制)来抵抗连续倒塌。Sasani等[83-84,86]对实际多层结构开展了多柱拆除试验，研究发现承重柱失效会导致失效柱上方梁弯矩方向发生改变，当梁端锚固不充分时，结构有可能发生局部破坏。

(6)预制混凝土(PC)结构

近年来，由于建筑工业化的发展，针对PC框架结构的研究在中国逐渐增多。考虑PC框架连接方式很多，国内外学者分别对干式连接[87,97-105]和湿式连接[106-116]PC结构展开了试验研究。大多数研究发现PC结构特别是干式连接PC结构的整体稳固性不如现浇框架结构，因此上述现浇框架抗倒塌研究结论对PC结构不一定适用，有必要开展系列研究明确其倒塌机理。安毅等[97-100]基于试验结果发现采用无黏结预应力钢绞线连接方式可以显著提高PC结构的竖向抗力。Zhou等[87,101-102]研究了牛腿插筋连接、沙特阿拉伯常用的干式连接PC结构的抗连续倒塌性能，结果表明由于钢筋不连续、节点延性较差等问题导致PC结构的承载能力比较差，不能发展悬索机制。Qian等[103-105]研究了螺栓连接和焊接连接的PC梁板子结构的抗连续倒塌性能，结果表明2种连接形式下子结构的破坏机理不同，螺栓连接尽管不能发展压拱机制，但是由于其转动能力强，在大变形阶段可以发展悬索机制。Qian等[106-107]对比了湿式连接(后浇整体式)的PC框架子结构与RC结构的抗连续倒塌性能，结果表明湿式连接PC框架结构的抗连续倒塌性能不弱于RC结构，可以做到等同现浇。Kang等[108-110]通过系列试验研究了搭接连接和90°弯钩锚固2种形式的后浇整体式PC结构的抗连续倒塌性能，结果表明湿式连接的PC结构同样可以有效发展压拱机制和悬链线机制以抵抗连续倒塌。同时，Kang等[111]将工程水泥基复合材料(ECC)用于后浇叠合层，发现ECC对PC结构的抗连续倒塌性能的影响并不明显。李宗泽等[112-114]研究表明采用湿式连接形式的PC结构可以达到和RC结构相同甚至更优的抗连续倒塌能力。Feng等[115]研究了装配整体式PC结构的静力和动力响应。此外，Zhou等[116]研究了火灾下和火灾后不同湿式连接的PC结构的抗连续倒塌性能，为后续考虑火灾与连续倒塌共同作用机理提供了宝贵的经验。

(7)预应力混凝土结构

预应力混凝土结构具有自重小、刚度大、抗开裂性能好等优点，是高耸结构、大跨度结构、重载结构的重要结构形式之一，因此预应力结构相比普通钢筋混凝土结构具有更大的倒塌风险。然而目前关于预应力结构抗连续倒塌方面的试验研究还相对较少[117-121]。Qian等[117-118]对后张拉预应力钢筋混凝土梁柱子结构进行倒塌试验，发现预应力筋在大变形阶段提供了更大的悬索作用，可以显著提高框架的极限承载力，但同时改变了试件的破坏模式。邓小芳等[119]通过对比有黏结和无黏结预应力混凝土梁柱子结构的抗连续倒塌性能，认为有黏结预应力结构具有更高的初始刚度和压拱承载力，但是无黏结预应力筋由于预应力筋受力更均匀，断裂更晚，极限承载力更高，Kim等[120]也得到类似结论；兰冬球[121]研究了不同抛物线布置形式(直线型和抛物线型)的无黏结预应力结构的抗连续倒塌机理，由于直线型布筋的预应力筋含量更高，其抗倒塌能力也更强，实际上经过研究发现在大变形阶段的极限承载力主要取决于预应力筋配筋率，布筋形式影响不大。

2.2 板柱结构

与框架结构相比，由于节点脆性冲剪破坏以及没有梁帮助重新分配柱子失效后的不平衡荷载，混凝土板柱结构遭受偶然荷载后更易发生连续倒塌。国内外学者针对不同失效柱方案下混凝土板柱结构展开了系列试验研究[122-135]，明确了其抗连续倒塌机制和破坏机理，同时发掘了提高板柱结构抗连续倒塌性能的有效方法[129,133-135]。典型板柱结构拟静力试验如图13所示。

图13 板柱结构拟静力试验Fig.13 Quasi-static Test of Plate-column Structure

Qian等[123-125]开展了内柱失效工况下的板柱子结构Pushdown试验，发现小变形下板柱结构主要通过楼板抗弯能力和压膜效应提供抗力，节点冲剪破坏后由于底部拉结钢筋发展悬索机制具有相当大的冲切后承载力。Xue等[122]通过中柱失效Pushdown试验研究发现节点冲剪破坏后拉膜机制、悬链线机制和销栓机制仍能为结构提供较大抗力。此外，中柱失效后90%的不平衡力被重新分配到4个边柱上，而4个角柱承担的不平衡力很少。Yi等[126]分别开展了内柱失效、边柱失效和角柱失效下的拟静力试验研究，发现边柱和角柱失效下节点冲剪破坏常常伴随着钢筋断裂，而内柱失效下结构具有较好的荷载重分配能力，能够承担2倍以上的设计荷载。Prasad等[127]基于角柱失效下的拟静力单点加载试验研究表明，屈服线理论能够准确预测去柱后板柱子结构的屈服荷载，但由于楼板面内荷载作用，屈服线理论预测结构的第一峰值荷载过于保守。Ma等[128]对比了边柱失效以及边柱和内柱同时失效2种工况下的板柱子结构抗连续倒塌性能，试验结果表明两者受力机制几乎相同。与2根柱失效相比，单根柱失效下结构失效更具脆性，第二峰值承载力也更低，但变形能力更强。Qian等[129]基于动力试验，研究了只移除内柱以及同时移除边柱和内柱工况下板柱结构的荷载重分配能力，结果表明2种工况下结构均能发展压膜机制，从而大于其屈服承载力。Peng等[130-131]基于单层板柱子结构动力试验研究，发现应变率效应能分别提高钢筋屈服强度和混凝土抗压强度10%和15%，失效柱周围柱子总轴力的动力放大系数约为1.15。当板底钢筋不连续时，在较大的重力荷载下瞬间移除边柱和内柱均会造成板柱结构发生冲切破坏(图14)。Adam等[132]对一个两层2×2跨的全尺RC板柱结构开展底层角柱失效工况下的动力试验研究，发现结构主要依靠楼板的抗弯机制和空腹机制抵抗连续倒塌，而拉/压膜效应作用很小。此外，试验结果表明竖向位移的动力放大系数为2.6，而轴向荷载的动力放大系数为1.24。

图14 平板子结构冲切破坏Fig.14 Punching Failures of Flat Slab Substructure

由于板柱结构相比于框架结构具有更大的倒塌风险，因此亟需探索提高其荷载重分配能力的高效技术。Qian等[129,133-134]对板柱结构展开了系列角柱和内柱失效下的动力和拟静力Pushdown试验，发现设置柱帽可以提高板柱结构的抗倒塌能力，破坏由冲切破坏转变为弯冲破坏。同时，Qian等[134]发现在板底布置连续钢筋可以明显提升结构的屈服后承载力和变形能力，Ma等[135]也有类似结论。安装抗剪螺栓可以提高其抗冲剪承载力，但是对于大变形阶段承载力影响有限。

2.3 结构鲁棒性提升方法

结构鲁棒性与连续倒塌密切相关，鲁棒性最初在系统工程研究领域首先被提出，指系统抵抗局部扰动快速恢复正常的能力。在目前结构体系的抗连续倒塌研究中，局部去柱就是验证建筑结构鲁棒性的一种手段。提高结构鲁棒性的方法有：外贴纤维增强复合材料(FRP)加固、外包钢管加固等。其中外贴玻璃纤维增强聚合物(GFRP)和碳纤维增强聚合物(CFRP)更方便，研究较多。Orton等[136]基于7根1/2缩尺的CFRP布加固RC框架梁的抗连续倒塌试验，证明CFRP加固可以加强梁的弯曲机制和悬索机制，减少结构变形，但不利于发展悬索机制，从而降低了极限承载力。张海瑜[137]测试了采用CFRP修复后混凝土框架的抗连续倒塌性能，综合考虑结构的抗震设计与抗倒塌设计，发现CFRP加固方法可以使结构满足抵抗多灾害防御的需求。Pan等[138]研究了CFRP加固对PC梁柱子结构抗连续倒塌性能的影响，表明CFRP加固可以明显增强构件的压拱机制，但是不利于发展悬索机制，与Orton等[136]的结论一致。胡海宁[139]研究了不同CFRP布加固方案对提升梁柱子结构抗连续倒塌性能的有效性，表明该研究所提出的复合加固方案可以提高边柱侧向刚度，延缓裂缝的发展，使结构的抗连续倒塌能力明显提升。Qian等[140-141]研究了分别采用CFRP和GFRP加固板柱结构和PC梁板子结构的抗连续倒塌性能，试验结果表明2种加固材料均可以有效提升结构的初始刚度、屈服承载力以及冗余度。Feng等[142]研究了在楼板表面粘贴GFRP布和布置GFRP筋2种加固方法对梁板结构移除角柱下的抗连续倒塌性能影响(图15)，发现2种方法均有利于构件发展压拱机制。GFRP布抑制了早期裂缝的发展，但对于主斜裂缝影响不大。此外，GFRP布在大变形阶段容易脱胶，其材料性能没得到充分利用。Liu等[143]评估了CFRP索对受损结构加固的有效性，发现加固后结构可由CFRP的悬索机制和原结构的弯曲机制共同抵抗。

图16 钢支撑加固框架Fig.16 Steel Bracing Strengthened Frame

此外，学者们还探索了其他提高结构鲁棒性的方法，例如范云蕾等[144-145]研究了不同边界条件、预应力筋布置形式对体外预应力RC框架抗连续倒塌性能的影响，表明在水平约束充分的情况下，体外预应力筋可提高框架承载力高达70%。Qian等[146]创新性地提出了在顶层安装钢支撑加固RC框架抗连续倒塌能力的方法(图16)，结果表明钢支撑可以显著提高框架的初始刚度和第一峰值承载力。此外由于加固后的顶层对下部各层无论哪个柱子移除都可以通过悬挂机制提供抗力，不至于影响底部各层立面及门窗设置，该方法被广泛使用。

图17 填充墙框架和纯框架破坏模式对比Fig.17 Comparison of Failure Modes Between Infilled Wall Frame and Bare Frame

填充墙在常规结构设计中作为非承重构件，在评估结构承载能力时，通常只计算其重量，但往往忽略其抗力贡献。近年来一些试验研究表明填充墙对提高结构的整体性和鲁棒性效果显著[147-154]。Li等[147-149]对满砌填充墙框架子结构进行了拟静力Pushdown试验，研究发现填充墙可以充当等效斜压杆，显著提升RC结构的初始刚度和第一峰值承载力，但容易降低框架的延性[147,149]；此外，填充墙会改变框架的失效模式和钢筋断裂位置(图17)[148]。Brodsky等[150]完成了7个1/2缩尺单层单跨的满砌填充墙框架子结构的边柱失效倒塌试验，发现采用抗震设计或强度较高的混凝土空心砌块可以明显提高结构的竖向抗力。Wang等[151]研究了填充墙对PC框架抗连续倒塌性能的影响，结果表明满砌填充墙可以显著提高PC框架结构的屈服承载力和悬索阶段的承载力，这与很多其他研究结果不一致，因为在大变形阶段填充墙应该已经破坏严重，甚至出现倒塌，不应该会对梁悬索机制的发展有帮助。考虑到实际使用功能，常常需要在填充墙上开设门窗洞，洞口的存在增加了填充墙和框架之间相互作用的复杂性。Shan等[152]研究了开洞填充墙对RC结构抗连续倒塌性能的影响，开洞填充墙框架相较于满砌填充墙框架，其初始刚度和第一峰值承载力下降，但延性得到了提升。Qian等[153]研究了不同开洞率对填充墙框架抗连续倒塌性能的影响，发现即使填充墙开设了窗洞，仍然可以显著提高框架抗力，但随着开洞率的增大，填充墙框架的承载能力随之下降，特别是初始刚度和第一峰值承载力。当填充墙的开洞率过大且砌筑高度较低(仅4皮)时，其对结构抗连续倒塌性能的提升并不明显[38,153]。

3 框架结构抗力机制及理论计算模型

在上述讨论中已经介绍了RC框架结构连续倒塌的主要抗力机制，包括梁的弯曲机制、压拱机制、悬索机制以及楼板的压膜机制和拉膜机制。下面对各抗力机制的理论计算模型进行回顾，并通过对比试验结果，验证部分理论模型的准确性。

图18 弯曲机制Fig.18 Flexural Action

图18为弯曲机制示意图，梁轴力N为0，弯曲机制承载力Py即梁端形成塑性铰时的结构承载力，也称为屈服承载力，可通过公式(4)、(5)计算。

(4)

(5)

式中：My1和My2为截面屈服弯矩；ln为双跨梁的净跨；As和fy分别为受拉钢筋截面面积和屈服强度；ds为截面有效高度；fc为混凝土圆柱体抗压强度；ms为截面屈服弯矩。

图19 Park-Gamble压膜模型变形协调示意图Fig.19 Deformation Coordination Schematic Diagram of Park-Gamble Film Pressing Model

(6)

(7)

(8)

(9)

图20 文献[158]压膜模型变形协调示意图Fig.20 Deformation Coordination Schematic Diagram of Film Pressing Model in Literature [158]

悬索机制为梁轴力由压力转变为拉力后发展的抗力机制。悬索机制承载力主要由梁纵筋拉力提供。Yi等[33]最早提出了悬索机制理论计算模型，该模型考虑了梁内所有通长钢筋的贡献，并引入了折减系数ψ，ψ=0.85。Su等[34]和Yu等[35]提出的模型分别仅考虑梁底部和顶部钢筋的贡献。Yi等[33,35]假设钢筋合力方向沿梁轴线方向，Su等[34]假设钢筋合力方向沿中柱底部钢筋与边柱顶部钢筋连线的方向。上述模型仅考虑了集中力加载的情况，Qian等[166]进一步提出了考虑和不考虑梁上均布荷载影响的悬索机制理论计算模型，见公式(10)～(14)，模型认为无论是否考虑梁上均布荷载，悬索机制承载力均由梁顶部钢筋控制。Long等[42]提出了考虑弯矩影响的悬索机制理论模型。

民族唱法美声化，美声唱法民族化，是中西文化相互融合、互相影响的结果，也是我国声乐教育发展取得的一大成果。这种“洋为中用”的做法使得我国声乐更加成熟化、科学化、国际化。这样在保留自己本民族特点的基础上进行学习、借鉴、改革对于我国民族声乐的发展，具有很重要的意义。

(10)

(11)

F=2Astfysin(α)

(12)

F=2Astfusin(θ)

(13)

F=2Astfusin(α)

(14)

Park[167]系统研究了考虑边界约束的双向板极限承载力，提出了全约束和部分约束条件下的压膜机制计算模型，并提出了全约束条件下的拉膜机制计算模型(图21，其中lx为板长跨x方向计算长度，ly为板短跨y方向计算长度)。Bailey[168]提出了低配筋率RC板的拉膜机制计算模型。Qian等[169]基于试验结果将Bailey[168]模型进行了优化。Pham等[170]提出了简化的拉膜机制理论计算模型，该模型假设拉膜机制承载力仅由板负弯矩区的顶部钢筋提供。

图21 双向板压膜模型屈服线Fig.21 Yield Lines of Two-way Slab Film Pressing Model

由于发展压拱机制所需变形较小，压拱机制被认为是一道可靠的抗连续倒塌防线。对于边界约束较强的框架梁，可以考虑压拱机制对其承载力的提升。图22为《建筑结构抗倒塌设计标准》[25]建议的压拱机制承载力计算方法(Lu等[161]改进的Park-Gamble压拱模型)预测值与试验值对比结果，可以看出预测值与试验值吻合较好。

图22 压拱机制承载力预测值与试验值对比Fig.22 Comparison of Predicted and Measured Compressive Arch Action Capacities

图23 悬索机制承载力预测值与试验值对比Fig.23 Comparison of Predicted and Measured Catenary Action Capacities

4 有限元数值模拟研究

有限元数值模拟是结构抗连续倒塌研究的重要工具，通过有限元数值分析可以研究不同参数对结构抗连续倒塌能力的影响，常用的有限元数值分析软件包括OpenSEES[178]、LS-DYNA[179]、ABAQUS[180]和DIANA[181]等。

图24 经典RC梁-柱节点宏模型Fig.24 Classical Macro Model of RC Beam-column Joint

图25 填充墙RC框架宏模型Fig.25 Macro Model of Infilled Wall RC Frame

图26 钢支撑RC框架宏模型(单位:mm)Fig.26 Macro Model of Steel Bracing RC Frame (Unit:mm)

学者基于OpenSEES提出了模拟节点[182]、满砌或开洞填充墙[183-185]、钢支撑[186]、特殊构造[187-188]和整体结构[189-190]的宏模型。Bao等[182]提出了模拟RC结构连续倒塌行为的梁-柱节点宏模型，如图24所示。该节点模型通过剪切弹簧模拟梁传递给柱子的剪力，通过在梁柱交界面上、下部设置一对拉压弹簧以考虑梁钢筋与混凝土间潜在的黏结破坏。此外，在节点处设置2个转动弹簧来模拟节点的剪切变形。Feng等[183]基于Joint2D节点单元提出了用于模拟PC结构抗连续倒塌行为的宏模型，指出通过赋予节点弹簧合理的应力-滑移关系可以准确地模拟PC结构钢筋与混凝土间的黏结滑移。喻君等[184]、Li等[185]和Qian等[186]通过OpenSEES建立了满砌和开洞填充墙RC框架结构的宏模型(图25)来研究其抗连续倒塌机理，研究指出满砌填充墙框架主要通过填充墙产生的斜压杆形成荷载替代路径。图26为钢支撑RC框架宏模型，Yu等[187]研究了钢支撑加固混凝土框架的抗连续倒塌性能。Qiang等[188]提出了使用OpenSEES模拟弯折钢筋的的方法。Lin等[189]提出了一种新型的塑性铰外移方法，并提出了相应的OpenSEES模型。He等[190]受到火灾诱发连续倒塌研究的启发，基于OpenSEES提出了一种基于升温Pushdown的非迭代抗连续倒塌设计方法。该方法首先合理地定义钢筋的强度-温度本构关系曲线，再通过升温Pushdown得到表征配筋率和结构性能的位移-温度曲线，然后根据位移-温度曲线确定预定性能指标下的配筋率。潘毅等[191]基于OpenSEES建立了自复位混凝土框架结构有限元模型，通过赋予零长度单元极小的刚度实现钢绞线的无黏结特性。研究发现在中柱失效工况下，自复位框架结构的极限承载力比RC框架结构高24.2%。在边柱失效工况下，自复位框架结构的极限承载力比RC框架结构高35.7%。在构件截面尺寸和配筋率相同的情况下，自复位框架结构的抗连续倒塌性能优于RC框架结构。

众多学者基于LS-DYNA、ABAQUS和DIANA等软件建立精细化模型，研究了混凝土结构的连续倒塌行为，具体包括RC结构[192-204]、PC结构[205-208]、板柱结构[209-211]、填充墙框架结构[184,212-215]和预应力结构[216-218]。Sadek等[192]用LS-DYNA模拟了不同抗震设防类别的足尺RC梁柱子结构的抗连续倒塌性能。Shi等[193-195]通过LS-DYNA建立精细化有限元模型模拟了爆炸荷载作用下RC框架的倒塌行为。Shi等[193]提出了非零初始条件和非零初始损伤下RC结构抗爆的分析方法。Jayasooriya等[194]研究了RC框架的抗爆承载力和残余承载力。Pham等[195]研究了边界刚度、阻尼比和炸药当量对RC结构抗爆行为的影响，指出材料本构模型的选取和网格尺寸将显著影响有限元模型的准确性，因此在进行参数分析前有必要对模型进行构件和子结构层面的验证，研究表明由动力效应引起的材料应变率效应对结构的整体行为影响很小。Albrifkani等[196]基于有限元软件ABAQUS提出了模拟火灾下RC结构倒塌行为的方法，并在文献中给出了网格尺寸大小、升温时间、质量缩放和阻尼比等参数的建议值。Pham等[197]和Qian等[198]基于LS-DYNA研究了不同参数对RC梁板子结构抗连续倒塌性能的影响，同时研究了不同加载方式对RC梁板子结构在内柱和角柱失效工况下抗连续倒塌机制的影响(图27)，研究表明2种加载方式产生的破坏模式显著不同。

图27 不同加载方式下RC结构破坏模式Fig.27 Failure Modes of RC Structures Under Different Loading Methods

Yu等[68]建立了RC梁板子结构在边柱失效工况下的精细化有限元模型，指出主梁的压拱机制和次梁的弯曲机制是结构在小变形阶段的主要抗力机制，而大变形阶段的抗力机制为主梁的悬链线机制和板的拉膜机制；同时研究还指出边界刚度对梁悬链线机制和板拉膜机制的影响很小，并进一步探讨了连续面帽盖模型(*MAT_CSCM)关键参数抗拉断裂能对模拟结果的影响。Yu等[199]研究了边界条件在相邻角边柱失效工况下对RC梁板子结构的影响。钱凯等[69]量化了板对RC结构抗连续倒塌能力的影响。周云等[200]验证了采用单层子结构等效研究多层结构的可靠性。Qian等[146]研究了钢支撑对RC框架结构抗连续倒塌能力的提升作用。Qian等[201]研究了RC梁板子结构在瞬间抽柱工况下的动力响应,破坏模式如图28所示。Hou等[202]和Fang等[203]研究了多层或高层RC结构抗连续倒塌性能。此外，也有学者[96,204]用DYANA研究了RC结构的连续倒塌行为。

图28 瞬间抽柱下RC结构破坏模式Fig.28 Failure Modes of RC Structures Under Sudden Column Removal Condition

现有PC结构有限元模拟分析主要针对干式连接的PC结构[205-208]，Bao等[205]、Elsanadedy等[206]、Qian等[100]、余洋等[207]、李治等[105]、钱凯等[104]用LS-DYNA分别模拟了焊接连接板连接、销钉牛腿连接、预应力拼接、焊接连接和螺栓连接的PC结构抗连续倒塌性能。Zhou等[87]通过ABAQUS模拟了销钉、角钢和牛腿连接PC结构的连续倒塌动力响应。钱凯等[208]模拟了湿式连接后浇整体式PC结构的抗连续倒塌性能，通过*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK定义预制构件与后浇叠合层界面的破坏。

基于LS-DYNA建立精细化有限元模型，Qian等[129]研究了板柱结构在单柱和两柱失效工况下的动力响应，指出板柱结构在一根边柱及其相邻的内柱失效工况下仅发生较小变形。Weng等[209]研究了板柱结构在多点加载下的荷载重分布机理。Xue等[210]研究了混凝土强度、板厚和板配筋率对内柱失效工况下板柱结构抗连续倒塌性能的影响。杨友喆等[211]研究了板柱节点冲剪破坏后的行为。

Yu等[212]基于LS-DYNA建立了精细化填充墙RC框架结构有限元模型，分析指出仅第一层梁能够有效地发展压拱机制，而其余层梁由于边界不能提供足够的边界约束导致压拱机制不能发挥作用。在大变形阶段，残余的填充墙能够形成有效的压杆而为框架提供足够的水平刚度，悬链线机制因此得以发展。Yu等[213]研究了填充墙RC框架结构的静力和动力倒塌响应，指出在峰值荷载前静力和动力加载下的荷载传递路径是相似的，但是在峰值荷载之后有所区别。钱凯等[214]研究了不同抽柱工况下填充墙RC框架结构的抗连续倒塌性能。Li等[185]通过ABAQUS模拟了满砌和不同开洞形式填充墙RC框架倒塌过程中的性能(图29)。

图29 不同开洞形式填充墙RC结构破坏模式应力云图Fig.29 Stress Cloud of Failure Modes of Infilled Wall RC Structures with Different Opening Configurations

当前，有少量关于预应力混凝土结构的有限元模拟研究。Qian等[216]和Husain等[217]分别研究了直线和抛物线布置的有黏结和无黏结预应力混凝土结构在中柱失效工况下的荷载传递机理。Huang等[218]研究了多种钢绞线布置形式的有黏结预应力混凝土结构抗连续倒塌性能。

5 尚需开展的研究工作

过去的20年，在RC结构抗倒塌机理、主要抗力机制及其演化、倒塌动力效应及其预测模型、抗力提升技术和鲁棒性评估指标等方面都取得了积极进展。随着研究的不断深入，一些深层次的问题被发现，有待进一步研究：

(1)动力倒塌失效规律研究

连续倒塌是结构非线性动力行为，动力加载对结构损失失效机理、动力效应对结构倒塌抗力需求均有显著影响。构件抗力和动力放大系数的计算方法是工程设计方法的关键，均和上述2个关键科学问题有关。目前虽然已经开展了一些动力连续倒塌试验和动力效应理论研究，但是还远不能满足建立规范设计方法的需要。试验研究中存在以下问题：既有静、动力对比试验较少；有限的对比试验中试件非同批制作，材性差异明显；静、动力试验加载和约束边界未保持一致；动力试验每次仅可以测试1个性能点，需开展系列试验测定不同变形(延性)下的动力倒塌性能变化规律。由于严格的动力和静力对比试验缺乏，理论研究的机理基础不足，相关结论差异明显，未形成能满足工程设计需要的动力放大系数计算方法。

(2)不同类型结构的连续倒塌研究

不同类型的结构均面临连续倒塌问题，目前研究主要集中在应用较为广泛、问题相对简单的框架结构，部分研究涉及板柱结构和装配式框架结构，而对更加复杂的结构关注较少，例如支撑框架结构、框剪结构、剪力墙结构、混凝土组合结构等。这些结构类型在大型公共建筑中应用更为广泛，面临的连续倒塌风险和严重后果更加突出，亟需开展研究。

(3)整体结构系统连续倒塌规律研究

连续倒塌是破坏在结构系统内的传播，局部构件、节点和子结构的力学行为虽然对结构系统规律有重要影响，但是系统规律也有其独特性(例如连续倒塌在水平向和竖向传播中的桁架拱效应)，需专门进行研究。目前大量研究还是集中在子结构层次的试验机理研究，对整体结构系统规律的研究不足，特别是针对整体结构系统的工程设计方法还有欠缺。

(4)灾害相关的连续倒塌机理研究

连续倒塌是由局部作用的极端灾害荷载触发的。目前的抗连续倒塌规范认为初始灾害作用是局部的，对整体结构系统的影响有限，而抵抗连续倒塌是整体结构的行为，采用去柱法能够有效检验和设计整体结构系统吸收和跨越局部结构失效的能力。如果灾害作用规模达到一定程度，已不属于连续倒塌范畴，例如地震作用、大规模火灾和爆炸作用，相应问题应在各专项防灾设计中进行考虑。这种设计哲学是合理的，有助于工程界采用较低的代价尽可能提升整体结构的鲁棒性。不同灾害作用下局部结构的失效机理存在差异，并且对局部结构产生初始损伤，最终影响结构系统的连续倒塌行为。在灾害相对明确时，考虑灾害荷载作用对局部结构的影响，有利于更加准确理解和设计结构的抗连续倒塌能力。例如爆炸在毁伤框架柱的同时也会对节点和楼板造成损伤，而爆炸后的火灾可能对结构倒塌行为产生重要影响，考虑爆炸作用的连续倒塌试验、去柱与后继火灾的耦合试验可以根据准确揭示上述破坏机理。

(5)面向多灾害防御的抗连续倒塌体系研究

连续倒塌主要由构件失效引起的不平衡重力荷载重分布导致，因此分析和设计主要针对梁和楼板组成的楼盖系统来传递、平衡这些重力荷载。然而对水平结构系统的加强可能导致强梁弱柱等不利受力机制，削弱结构系统在抗震等其他结构防灾力学性能。已有研究发现抗连续倒塌和抗震的设计方法本身存在相互制约，同时采用这2个设计体系加强传统结构系统水平和竖向结构系统，其抗连续倒塌和抗震性能很难取得效益和性能的平衡，不利受力模式甚至依然无法避免。因此，研发面向多灾害防御的抗连续倒塌体系成为一种有效的解决方案，利用新型结构构件和节点在连续倒塌和地震下的不同受力模式、变形和抗力需求，同时满足不同防灾机制下互不影响的多灾害防御目标。

(6)面向工程的抗连续倒塌设计方法研究

由于连续倒塌固有的动力大变形、整体结构系统行为等特点，目前结构抗连续倒塌的研究还不够充分。一方面，规范设计方法基于经验或者理想模型提出，不断有研究质疑其方法的有效性，比如拉结强度基本计算公式未考虑空间作用和动力效应，动力放大系数基于个别数值算例中有限工况的拟合，缺少理论依据并且不适合实际工程。另一方面，整体上研究数量还不够多，关键基础数据依然缺乏。例如，现浇框架的试验已经开展较多，但是集中针对单向梁柱子结构的小比例缩尺试件开展静力试验，对空间效应、不等跨和动力效应影响、大尺寸构件和节点力学行为的理解还不够，基础数据量还不足以充分检验和支撑抗力计算模型(如压拱、压膜机制)的研究。关于上述问题，目前也有一些研究给予了较好的解决方案，但是还存在理论性过强、计算繁琐等不足，离实际工程应用尚存在距离。

(7)高效连续倒塌数值分析模型研究

整体结构系统规律研究和工程设计方法有效性检验需借助高效的连续倒塌数值分析模型开展大量的参数分析。目前的数值模型多集中在揭示局部子结构失效机理的精细模型，尚缺少能够满足系统分析需要的通用简化结构模型，例如考虑火灾、爆炸等灾害作用的大变形热-力耦合构件模型和材料高性能本构，考虑大变形下钢筋黏结滑移失效、钢筋断裂和混凝土软化/破碎的高效构件模型。