工程结构连续倒塌破坏及性能提升技术研究现状

黄 华，刘笑笑，黄 敏，郭梦雪

(1. 西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710021; 2. 长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061)

0 引 言

结构发生连续性倒塌是指在偶然荷载作用下结构发生系统失效的问题，由于局部破坏，使得失效范围不断向周围扩展，最终导致大范围坍塌。因此与传统结构设计不同的是，连续性倒塌问题关注的是在个别构件或局部小范围结构破坏失效或损伤的情况下，结构仍保持其变形的能力。

连续倒塌问题的研究始于1968年伦敦Ronan Point公寓倒塌事件，之后美国、加拿大以及西欧部分国家的规范中就出现了专门的条款致力于减少这类事故的发生。2001年，美国“9·11”事件将连续倒塌问题的研究推向高潮，使得结构的连续性倒塌问题真正成为结构工程领域的研究热点与前沿。

一旦建筑结构发生连续性倒塌，将会造成巨大的人员伤亡和财产损失，同时也带来社会恐慌，因此对建筑结构进行连续倒塌研究以防止各种诱因下的连续性倒塌破坏，成为建筑结构防灾减灾设计的最后一道防线。基于此，国内外学者对不同结构形式的抗连续性倒塌机理、措施、设计方法与评估方法等都进行了深入广泛的研究。如何科学可靠、经济合理地进行抗连续倒塌设计已成为建筑结构安全领域亟待解决的关键技术问题，而且各国关于结构的连续性倒塌方面的研究不断深化和扩展，并将相关内容写入规范。此外，中国当前城乡既有建筑约560亿m2，不论是抗震建筑还是非抗震建筑，其中相当一部分需要进行抗连续倒塌加固，因此提升结构抗连续倒塌性能的方法研究显得非常迫切和必要。

本文总结了钢筋混凝土(RC)框架结构典型的各种机制，对近10年各国研究者对于不同形式工程结构的连续性倒塌破坏试验、数值模拟和理论分析方面的研究以及目前关于抗连续倒塌加固的研究进展进行了总结评述，以便后续进行深入研究。

1 连续性倒塌抗力机制

图1 力分解示意[8]Fig.1 Diagram of Force Decomposition[8]

对于考虑板作用的结构，许多研究人员[9-11]通过试验证实板的存在可以显著增加钢筋混凝土框架结构的抗连续倒塌能力。Qian等[11]通过试验钢筋混凝土梁板结构，确定了楼板中压膜效应和拉膜效应的发展。板产生拉压膜效应作为抵抗机制，可以抵抗柱移除期间放大的竖向荷载。然而，在支撑柱附近，板也通过分担负弯矩区的张力，导致梁板截面的极限抗弯强度增加。

对于多层框架结构，顶层梁无论在大变形还是小变形情况下其轴力均为压力，底层梁在大变形情况下为拉力，而中间层梁轴力可能为压力，也可能为拉力。因此，在各层梁中形成新的力偶矩，与梁端弯矩共同抵抗荷载。空腹效应只存在于空间框架结构，常规的单层子结构模型无法反映空腹效应，现有研究相对较少。Sasani等[12]认为空腹效应的出现显著增加了结构对连续倒塌的抵抗能力。Sagiroglu等[13]对某七层钢筋混凝土框架进行连续倒塌研究，指出空腹效应的特性是竖向构件对各层内力的重分配。Salah等[14]建议在梁柱节点处使用特殊的横向钢筋，以最大程度地利用空腹机制。

2 不同结构体系的连续倒塌性能

2.1 混凝土结构

2.1.1 框架结构

目前已有大量试验对各种类型的结构如梁柱和梁板组件、平面框架结构和空间框架等进行了拆柱工况下的倒塌机理研究。现有研究中连续倒塌试验方法主要有2种：第1种类型为准静态加载，通过释放中间柱的支撑并增加中间柱的挠度，直到完全破坏；第2种类型为动态载荷，是通过堆积(混凝土或砂子)模拟重力荷载进行的，最后通过瞬时移除柱来模拟动态荷载效应。

Su等[6]和Yu等[2]讨论了梁的跨高比、纵筋配筋率和加载速率等因素对压拱承载力的影响，结果表明，压拱机制有利于跨高比小和配筋率低的梁，悬链线机制有利于跨高比大和配筋率高的梁，并提出了钢筋混凝土梁-柱子结构悬链线效应发生的位移准则，即当失效柱处的位移达到梁总跨长的10%时，梁就发生悬链线效应。Lim等[15]通过拟静力试验方法研究了水平约束程度和转动能力对压拱效应的影响。Yu等[16]研究了边界约束条件对梁板子结构连续性倒塌的影响，结果表明，相对于横向约束，转动约束对梁板子结构的影响更加明显。

Qian等[17]对3个1/4比例的钢筋混凝土梁板框架试件进行了动力试验，以研究梁板结构抗连续倒塌的能力，结果表明，动态荷载会导致结构损伤，从而显著降低梁的初始刚度、压拱效应以及板的压膜作用。Pham等[18]通过拟静力试验对2/5比例的钢筋混凝土框架进行了角柱拆除下的连续倒塌试验，以研究均布荷载的抗力机制与Lim等[19]研究的集中荷载之间的差异。结果表明，这2种加载方法在破坏模式、裂纹模式、垂直偏转和屈服线的形成方面有所不同，动态试验和均布荷载更能真实模拟钢筋混凝土结构连续倒塌破坏。

Qian等[11]对6个1/4比例的试件(纵梁试件、三维纵梁和横梁试件以及带板的三维试件)进行了单调加载试验研究，以探讨抗连续倒塌的机理。结果表明，有板和无板的试件分别使钢筋混凝土框架梁的作用增加了100%和246.2%。此外，Ren等[10]和Lu等[9]也开展了梁-板子结构在中柱失效和边柱失效工况下的连续倒塌试验，试验考虑了梁高、楼板厚度、梁和楼板中配筋、抗震等级等因素的影响，讨论了梁-板共同作用下的结构连续倒塌机制。

填充墙作为框架结构的一部分，在结构设计过程中并未给予设计考虑，因此研究填充墙对于框架结构连续倒塌性能的影响具有重要意义。Shan等[20]、Qian等[21]开展了一批纯框架与框架填充墙结构的连续倒塌试验，分析了带填充墙框架结构的破坏机理，并据此提出了理论计算模型和承载力计算公式。图2为Shan等[20]进行的填充墙RC框架连续倒塌试验。图3为建立的计算模型示意图，其中实线代表荷载传递路径，虚线代表失效路径。

图2 带填充墙RC框架连续倒塌试验[20]Fig.2 Progressive Collapse Test of RC Frame with Infill Walls[20]

图3 填充墙框架荷载传递路径[20]Fig.3 Alternative Load Paths for Frame with Infill Walls[20]

大量学者通过增加纵向钢筋配筋率和沿梁使用连续钢筋来提高梁的抗弯能力，增强结构的抗连续倒塌能力[22-25]。通过增加横向钢筋来提高抗剪强度，可以提高试件的位移延性和承载能力[23,25]。因此，压拱效应和悬链线效应的改善在很大程度上取决于纵向钢筋比例和接缝细节[26]。采用抗震设计钢筋混凝土框架是提高抗连续倒塌能力的重要方法[27-29]。Ma等[30]和Lin等[31-32]提出一种新的构造形式，减小连接区域局部损伤，在满足抗震设计要求的同时能够提高抗连续倒塌能力，并通过研究表明对于多重危害状况需一种综合的设计方法，根据不同设计规范单独考虑不良荷载对于结构整体性能的提升并不理想。

目前已有大量针对RC框架结构连续倒塌破坏机理的试验研究，但并没有形成合理的倒塌性能评价指标、临界破坏状态判断标准以及倒塌荷载在关联构件之间的分配机制，更没有提出广泛接受的倒塌破坏准则和与中国传统结构设计方法相融合的抗倒塌设计方法，且主要是对新建结构的试验研究，而对于经历数十年腐蚀、碳化、冻融循环的既有工程结构，力学性能的衰退对其倒塌性能的影响研究尚未展开。国际抗震设计规范中对钢筋混凝土结构的要求是强柱弱梁原则，但对于抗连续倒塌设计并不适用，因此有必要在现有基础上对抗震设计细节进行改进以满足抗连续倒塌要求，并对多重偶然荷载下的破坏模式进行进一步研究。现在已出现多种性能更好的新材料，但对于新材料的倒塌破坏机理是否与常规混凝土相同仍未有系统研究。目前的研究主要是不同单一影响因素对倒塌性能的影响，并未对各影响因素进行量化研究和相关性研究，在保证经济和安全的条件下各影响因素的平衡并未给出标准，因此这一研究方向对指导抗倒塌设计具有重要意义。

2.1.2 板柱结构

与框架结构相比，板柱结构主要由板和柱两类构件组成，由于RC板柱结构未受到梁传递并重新分配荷载而冗余度较小，当承重柱在偶然荷载作用下失效时剩余结构发生连续倒塌破坏的风险更高，部分学者对此也展开了研究。

Mirzaei[33]对24块混凝土板进行试验，并建立了能够预测无抗剪钢筋的板柱节点冲切后性能的力学模型，试验证明，设置穿过柱且锚固良好的板底钢筋是提高板柱结构鲁棒性的一种可行的措施。杨涛等[34]通过试验证明配置板底斜向构造钢筋可以作为提高RC板柱结构薄弱区域抗连续倒塌性能的一种有效构造措施。Qian等[35-36]、杨涛等[37]、Liu等[38]对RC板柱子结构开展了静力倒塌试验，研究表明：无托板的试件在节点处发生了冲切破坏，而带托板的试件并未发生冲切破坏；板中配筋率、平板厚度和混凝土强度对试件连续倒塌性能有显著的影响。Hawkins等[39]、Keyvani等[40]提出内部板柱节点由于冲切破坏最有可能触发板柱结构连续倒塌。易伟建等[41-42]对RC板柱子结构开展了静力倒塌试验和分析，研究表明：楼面荷载主要通过板的挠曲和薄膜作用传递；底层中柱节点冲切失效最容易引起其他节点的连续性破坏与倒塌。Ma等[43]研究表明屈服线理论适用于计算2种角柱拆除方案下的板抗弯承载力。

Liu等[44-45]提出了钢筋混凝土板柱结构连续倒塌分析模型，板柱节点区域与剩余的板独立，两者通过连接梁单元连接。Xue等[46]提出了一种弹簧连接模型代表板柱区域的结构性能，但由于在大变形阶段出现差异，需要对弹簧连接建模精度进行优化，除了定义弹簧刚度外，还须考虑扭转效应，见图4。

图4 弹簧连接单元[46]Fig.4 Spring Connection Unit[46]

2.2 组合结构

近年来，由于组合结构的广泛应用，对于其连续倒塌性能的研究受到了大量研究者的关注，王俊杰等[47]通过静力加载试验研究了刚性连接节点组合梁-方钢管柱在中柱失效时的破坏模式和防连续倒塌性能，结果表明，相比闭口型钢板，开口型压型钢板试件钢梁上翼缘屈曲使得节点区域形成明显的塑性铰，有效延缓了下翼缘的开裂，能够在抗弯阶段消耗更多能量，但其容易发生压型钢板与混凝土的分离，不能保证组合梁的组合性能。杨涛等[48]的试验结果表明：采用栓钉抗剪连接件的组合框架梁具有较大的加速度响应和动态位移响应；梁中采用开孔板连接件的框架子结构具有较好的整体刚度，其受倒塌荷载动力冲击作用的影响相对较小。Yang等[49]开展了组合结构楼板-梁子结构连续倒塌相关试验，包括剪力连接件抗剪、连接角钢抗拉、钢梁翼缘受压、组合楼板-梁子结构的试验，研究了组合结构在中柱失效工况下的连续倒塌行为，结果表明，组合结构中剪力连接件的布置显著影响结构剪切刚度和强度，连接角钢的破坏始于螺栓孔处，梁上螺栓连接板的破坏降低了结构的延性，钢梁受压区出现局部屈曲，降低了结构承载力。文献[50]～[55]研究了梁柱连接性能、组合梁构造形式、边界约束条件、钢梁翼缘厚度和钢管含钢率、腹板开孔、轴压比等对组合结构抗倒塌性能的影响。

王文达等[56]基于ABAQUS开发了非线性梁-柱纤维模型(图5)，并将其用于钢管混凝土结构在中柱、边柱、角柱失效工况下的连续倒塌模拟。Yang等[49]提出模拟组合结构楼板的简化数值模型，对剪力连接件、双连接角钢节点、梁柱端部连接等进行了试验研究，并将对应连接方式在数值模型中用弹簧进行模拟，利用试验结果对弹簧的参数进行标定。Guo等[57]的数值模拟研究表明，抗连续倒塌设计对螺栓的断裂应变要求比常规设计更高，增加螺栓的直径或螺栓的断裂应变可以提高半刚性组合框架的抗连续倒塌能力；提出了一种新的角钢加固措施，可以改善半刚性组合框架在过渡和悬链线阶段的性能。

图5 局部坐标系下钢管混凝土柱截面[56]Fig.5 Column Section of CFST Under Local Coordinate[56]

在理论分析方面，部分研究者对组合结构做了大量工作，高山等[58]根据现行规范设计的组合框架在关键柱失效后仍具有较高的承载力，常规压杆模型并不能准确反映组合梁中的压拱效应[图6(a)]，因此提出一种新的“桁架弹簧”压拱模型[图6(b)]，并推导了竖向位移-荷载及竖向位移-水平位移相关计算式。图6中P为竖向荷载，d为水平位移，Δ为竖向位移，Kδ和Kd为相应位置简化弹簧的刚度。宋戈等[59]运用能量法分析抗连续倒塌各阶段的受力特征，得到了抗力曲线各阶段的表达式。Fu等[60]提出了一个计算钢框架-组合板体系在内部柱失效工况下的抗连续倒塌能力的力学模型。Xuan等[61]建立了钢管混凝土柱钢梁组合结构在中柱失效工况下的抗力-变形计算模型。

图6 压拱效应简化模型[58]Fig.6 Simplified Model of Arch Action[58]

Tian等[62]提出了一种可更换的耗能部件，实现对结构的快速修复，该方法满足抗震和连续性倒塌弹性要求，可以为未来组合框架抵抗多重危险弹性设计提供参考。Lu等[63]提出了一种具有更好的地震恢复力和抗连续倒塌性能的钢-混凝土组合结构。Li等[64]提出了一种量化多层组合框架结构在边柱失效工况下的分析方法，研究结果表明，对于边中柱，在不考虑空腹效应的情况下，基于单层结构获得的连续倒塌抗力对于多层结构而言是保守但合理的，但对于边角柱而言，这一结论是过于保守的。

2.3 装配式结构

连续性倒塌的抗力机制与结构的完整性和延性密切相关，而预制装配式结构完整性不足，因此对其连续倒塌性能的研究有重要意义。目前，已有众多学者开展了装配式结构的连续倒塌试验。

装配式结构连接方式分为2种：干式连接和湿式连接。不同的梁柱节点连接方式对结构连续性倒塌性能影响较大。Kang等[65]的预制装配式钢筋混凝土梁柱子结构连续倒塌试验表明，节点构造和配筋率是影响压拱效应和悬链线效应、增强结构抗力的重要因素。Nimse等[66]、安毅等[67-68]和Zhou等[69-70]开展了不同干式连接和湿式连接方式的装配式混凝土梁柱子结构连续倒塌试验研究，并与现浇混凝土试件进行了对比分析。何庆峰等[71]的试验研究表明，键槽连接节点梁柱结构在满足常规抗震荷载要求下，变形过程中能较好地形成梁机制、压拱机制以及悬索机制，是装配式结构可采取的一种较好的抗倒塌节点形式。前述的试验研究均是静载试验，Zhou等[72]对预制混凝土梁柱子结构在移除中柱情况下进行连续性倒塌动载试验，结果表明：在动荷载作用下，预制试件和RC试件均产生了压拱作用，但悬链线作用仅在RC试件中产生。

张望喜等[73]对空间框架、平面框架和悬臂子结构3个整体式预制装配式结构进行了准静态加载试验，结果表明：在压拱作用的峰值点之前，空间框架子结构可以由平面框架子结构和悬臂子结构叠加。由于空间框架平面外横梁的存在，压拱作用相比平面框架增加了11.65%；空间框架结构悬链线的极限承载力与叠加相比较降低了39.04%；空间框架中平面外横梁的存在可能对结构受力不利。

Feng等[74-76]探讨了建模方式、后浇混凝土强度、钢筋直径和强度、底部钢筋锚固长度、节点连接方式、钢筋嵌入长度、梁截面尺寸及配筋率等因素对装配式RC框架子结构抗连续倒塌性能的影响，指出水平约束对预应力框架子结构抗连续倒塌性能影响较大，并根据试验结果推导了不同埋深钢筋的应力-滑移关系。Qian等[77-78]的试验研究表明：由于预制板的不连续性，在大变形阶段极限承载力主要由梁的悬链线作用提供；预制板沿短跨布置的抗倒塌性能优于沿长跨布置。Li等[79]研究了预应力预制结构的倒塌机理，并对预应力钢绞线截面面积对预制结构抗倒塌性能的影响进行了研究。

Wang等[80]研究了填充墙对预制混凝土框架结构倒塌性能的影响，结果表明填充墙显著增加了弯曲阶段和悬链线阶段的承载能力。张景博等[81]考虑了填充墙不对称分布下的中柱偏移，引入不对称系数，建立基于填充墙等效压杆的力学模型。在考虑填充墙情况下，预制框架在悬链线峰值荷载时的位移增大，现有规范中建议的中柱位移为跨度的0.2倍，适用于无填充墙预制框架，对于带填充墙的预制框架则偏于保守。

在采用试验方法开展研究的同时，部分学者还采用数值分析方法对框架结构的倒塌性能进行了研究。El-Desoqi等[82]采用数值模拟的方法研究了有板和无板2种预制混凝土框架在不同位置柱移除工况下，预制梁跨度对整体结构倒塌性能的影响。Tohidi等[83]采用ABAQUS有限元软件对装配式混凝土剪力墙结构进行连续倒塌分析，验证了拉结强度法在装配式楼板抗连续倒塌中的适用性。周云等[84]通过数值模拟方法得出，通过增大螺杆直径或采用高强螺杆等方式可增强插销杆的抗剪强度，从而有效提高装配式混凝土框架结构二次抗倒塌能力。

3 抗力计算模型

3.1 梁-柱子结构抗力计算模型

Nav等[85]为了预测钢筋混凝土框架在拆除柱情况下的抗力和一般性能，在9个基本假定条件基础上建立了一个简化的理论模型，该模型定义了拆除柱上方节点在受力全阶段荷载-位移(P-y)关系，见图7。

图7 RC梁柱子结构简化抗力计算模型[85]Fig.7 Simplified Resistance Calculation Model of RC Beam-column Substructure[85]

A点时纵向钢筋首次屈服，通过应变协调和力矩平衡推导了中间节点承载力PA和竖向位移yA计算公式；B点时压拱作用开始发展，根据拱变形理论推导了中间节点承载力PB和竖向位移yB计算公式；压拱效应随着混凝土轴向压缩力的减小和混凝土压碎而逐渐降低，直到C点时梁发生弯曲破坏，基于塑性铰的弯矩-曲率关系得到C点承载力PC和竖向位移yC计算公式；纵向钢筋拉力的存在导致悬链线机制的形成，在D点时钢筋发生断裂，达到悬链线效应的极值，根据钢筋强度理论，推导了悬链线阶段的承载力PD和竖向位移yD计算公式。

图8 RC梁柱子结构简化抗力曲线[86]Fig.8 Simplified Resistance Curve of RC Beam-column Substructure[86]

Yu等[87]为了准确预测压拱作用的抗力，提出的解析模型系统考虑了边界条件的影响，并提出了强弱边界约束的判定准则。Kang等[88]考虑相邻柱变形的影响，对压拱作用计算模型进行了优化。Alogla等[89]建立了一个考虑钢筋断裂和混凝土压碎导致梁有效高度减少这一影响的分析模型。Nav等[90]提出了一种理论方法计算钢筋混凝土子结构的动态抗力，该方法考虑了动态特性引起的高应变率。

3.2 梁板结构抗力计算模型

Pham等[91]提出了一种分析模型，用于预测考虑板的拉膜效应时在内部柱拆除情况下梁板结构的结构抗力。该模型的失效准则是基于梁跨中或梁柱接头边缘的纵筋断裂，在该模型中，假定水平约束刚度对梁板结构的性能没有影响，忽略梁中的压拱作用和板中的压膜作用，梁板结构抗力曲线简化为双线性OAB曲线，如图9所示。图9中PS,A和dS,A分别为A点的荷载和位移，PS,B和dS,B分别为B点的荷载和位移，KOA为OA段斜率，KAB为AB段斜率。

图9 RC梁板结构简化抗力曲线[91]Fig.9 Simplified Resistance Curve of RC Beam-slab Structure[91]

均布荷载情况下，形成的屈服线将板分为4个部分；在集中荷载情况下，假定板中形成的屈服线为一个椭圆，基于梁的塑性铰能力和板的屈服线能力推导出了2种荷载情况下A点承载力计算公式。此外给出了简化曲线中OA和AB段斜率的计算方法。

目前对于框架结构的理论分析研究主要是针对梁柱子结构，Pham等[91]提出的分析模型虽然考虑了板的作用，但忽略了梁的压拱作用和板的压膜作用，对框架结构响应过程过度简化，因此仍缺乏合理的连续倒塌抗力计算模型。

4 连续倒塌性能提升技术

整体结构的受力系统在部分构件失效后会发生2个显著变化：首先，结构发生局部破坏后，原有结构的受力模式会发生显著变化，比如对于框架结构而言，若关键柱失效后，则其支撑的框架梁端部可能由负弯矩作用变为正弯矩，大小可能增加了数倍，且其上部柱可能由受压变为受拉；其次，在新的受力体系下，结构和构件的抗力需求会显著增大，这对构件及其连接部位塑性变形和承载能力有更高的要求。2015年吕大刚等[92]采用增量动力分析方法进行研究，结果表明：整体加固方案可以有效提高非延性钢筋混凝土框架结构的抗地震倒塌能力；采用底层加固方案会使结构的薄弱层上移，不能提高结构的抗地震倒塌能力，反而降低了结构的地震倒塌安全裕度；随着非延性钢筋混凝土框架结构高度的增加，纤维增强复合材料(FRP)的加固效果逐渐减弱。Qian等[93]针对在现有预制混凝土结构中板与梁的螺栓连接处延性和承载力差的问题，提出了基于玻璃纤维增强复合材料(GFRP)条的加固方案，试验表明该方法可以有效地增强预制混凝土结构的冗余度，提高抗连续倒塌性能。Huang等[94]采用高性能钢丝网水泥层压板和黏结钢板对2层RC框架进行加固，结果表明该方法可以有效提高结构的初始刚度和承载力，见图10。

图10 RC框架破坏模式[91]Fig.10 Failure Mode of RC Frame[91]

通过对部分重要构件、子结构或关键区域进行补强加固，能够增加结构的冗余度，以保证结构整体牢固性，提高现有建筑结构抗连续倒塌能力。一般可以从3个方面提高结构整体的牢固性：①增加结构的冗余度，包括冗余承载力和备用传力路径；②增强结构的连续性，包括结构构件的连续性和节点连接的连续性；③增强结构的薄弱部位。

4.1 增强抗弯性能

梁的抗弯性能在连续倒塌全过程均发挥作用，因此通过增加配筋、增大梁高、提高混凝土强度等方式可以增加梁的抗弯性能，从而提高抗连续倒塌性能。范云蕾等[95]进行了三榀单层双跨体外预应力混凝土框架结构试验，研究表明体外预应力混凝土框架的连续倒塌过程分为梁机制与悬链线机制2个阶段，梁机制阶段的倒塌抗力由体外预应力筋的“悬索效应”与框架梁的正截面抗弯承载力共同提供，为非预应力混凝土框架的1.5倍～2.6倍。

4.2 增强压拱效应

压拱效应作为连续性倒塌抗力的第一道防线，可以通过加强边界约束条件、增加配筋、增大梁高来增加，从而提高第一峰值承载力。冯鹏等[96]研究采用GFRP加固形式对钢筋混凝土梁柱子结构进行抗连续倒塌的影响，试验表明采用GFRP筋加固方式提高了构件在压拱阶段的承载力。纺织增强砂浆(TRM)和近表面安装(NSM)加固技术已作为增强RC构件的弯曲和剪切加固方法，De A Vieira等[97]通过试验研究表明采用TRM和NSM技术加强抗弯和抗剪强度能够显著提高钢筋混凝土梁在压拱阶段的承载能力。

4.3 增强悬链线效应

悬链线效应是连续性倒塌抗力的最后一道防线，因此大量学者通过结构加固增强悬链线效应，以防止发生连续性倒塌，目前研究主要包括体外预应力加固和FRP筋加固方法。

Kim等[98]运用非线性静力与动力分析方法对6层和20层的RC框架结构的倒塌过程进行数值模拟，验证了体外预应力筋加固方法能显著提高钢筋混凝土结构的抗连续性倒塌能力。2015年Kim等[99]在此基础上对黏结钢绞线、无黏结钢绞线和螺栓锚固侧板3种加固方式的梁柱子结构进行试验，结果表明，无黏结钢绞线和侧板加固可以显著提高RC结构的抗连续倒塌能力，其中无黏结钢绞线强度最高。Qian等[100]通过试验研究了抛物线形无黏结钢绞线对后张法预应力钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌性能的影响。钢绞线可以显著增加框架的极限承载能力，同时改变框架结构抵抗荷载的机制，不会形成压拱效应。此外，还证明了跨高比对钢筋混凝土抗连续倒塌性能有显著影响，但对预应力混凝土无影响。Qiu等[101]为了验证在梁底部加钢缆这一方法的抗倒塌性能，进行了1/4尺度的梁柱组件移除内柱模拟连续倒塌试验，研究结果表明，与未加钢缆的梁柱构件相比，采用2根直径为10 mm或14 mm钢缆加固的梁柱构件极限承载力提高了90%～255%。范云蕾等[95]的试验表明，悬链线机制阶段的倒塌抗力由体外预应力筋和普通钢筋的“悬索效应”共同提供，为非预应力框架的3.5倍～6.1倍。体外预应力筋的“反拱”作用将抑制框架压拱机制的形成，并推导出了基于结构变形的体外预应力混凝土框架倒塌悬链线阶段的抗力计算公式。

冯鹏等[96]对采用U形弯折钢筋的梁柱子结构进行连续倒塌试验，结果表明试件可以提前进入悬链线阶段，使悬链线作用得以发挥。Pan等[102]制作了1/2缩尺预制混凝土框架，梁端用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固，中部用混杂纤维复合材料(HFRP)锚固，试验表明在悬链线效应初期，加强效果非常明显，且锚杆并未发生剪切破坏，提出了一种预制混凝土结构抗连续性倒塌加固设计方法。之后对采用2种不同CFRP加固方法的梁柱子结构进行试验，结果表明在弯曲阶段未产生作用，保持了“强柱弱梁”的结构状态，但在悬链线阶段，2种加固试件的承载能力均有显著提高[103]。Qian等[104]对4种不同构造钢支撑的框架进行试验，结果表明钢支撑可以显著提高框架的第一峰值荷载和初始刚度，但在悬链线出现之前，抗拉支撑断裂，抗压支撑发生严重屈曲，因此钢支撑对悬链线阶段抗力未产生影响。

采用粘贴碳纤维加固方法可以对连续性倒塌抗力机制的提升产生显著影响，而对于FRP粘贴方法也有部分学者做了研究。Orton等[105]、Feng等[106]使用CFRP和GFRP进行加固RC梁柱结构试验，结果表明这种加固方法能提高结构拉结能力，并形成悬链线效应，提升抗连续倒塌能力。Jonaidi等[107]采用拉结力法计算了CFRP和GFRP加固混凝土板的受力和变形，认为GFRP更适合用于混凝土板的抗倒塌加固，并建议了GFRP板的端部锚固方法。Galli等[108]建议了几种FRP加固现有结构抗连续倒塌的粘贴方法，包括梁板纵横向井字形粘贴、沿墙和柱全高粘贴、局部薄弱部位粘贴等，此外阐述了用于FRP加固分析的几种方法，包括线弹性静力分析、非线性静力分析、非线性动力分析等。

4.4 增强拉压膜效应

对于带板的结构，增加板的配筋、增加板厚、增强板周围的约束条件可以有效加强板的拉压膜效应，但目前对于通过加固增强拉压膜效应的研究相对较少。Qian等[109]的试验表明，对板采用GFRP加固可以有效提高板的初始刚度和抗弯性能，但并未提高破坏时承载能力和变形性能，且在大位移阶段GFRP与混凝土面有明显的脱黏现象。

表1总结了几种典型的加固方法对连续倒塌性能的定量影响。

表1 不同加固方法对结构性能提升的定量影响Table 1 Quantitative Effects of Different Reinforcement Methods on Structural Performance Improvement

4.5 改变受力体系

增加支撑已被证明是一种非常有效的抗震加固或改造方案，提高结构的横向抗荷载能力，然而支撑的形式多样，通过合理的支撑布置方式，实现失效部位内力转移和结构内力重分布，充分发挥抗力机制，以提高结构的整体性、连续性和冗余度。

2009年马人乐等[110]通过LS-DYNA动力非线性分析得出，水平支撑能显著减小破坏部位的竖向位移，使同层各柱轴力分配趋于均匀化，从而提高结构的抗连续倒塌能力。Tsai[111]采用数值模拟的方法对移除柱的规则钢框架进行钢斜撑加固，提出了基于性能的钢斜支撑加固的抗连续性倒塌设计方法。张亮等[112]通过数值模拟表明，纵向和横向布置的钢支撑均可显著提高结构整体拉结力，减少破坏位置的竖向位移，避免破坏的范围扩大，改变了结构梁的抗连续倒塌机制。Chen等[113]为研究水平支撑对抗连续倒塌的影响，对有水平支撑和无水平支撑的2种模型进行了非线性动力分析，有水平支撑的模型由于顶层水平支撑提供了拉杆，位移和转角更小，且水平支撑能够将原先由移除柱所承受的水平荷载转移到相邻柱上。乔慧云等[114]研究表明空腹效应是竖向构件对各层内力重分配的结果，体现了框架结构的整体受力特点，空腹效应与悬链线效应等抗力机制共同抵抗不平衡荷载；顶层水平支撑可以显著减小失效点处位移，发挥空腹效应作用，提高结构的抗连续倒塌性能。Yu等[115]基于OpenSees研究了支撑框架抗连续倒塌的荷载传递机制、支撑框架连接约束的影响以及支撑位置对连续倒塌抗力的影响。

以上关于加固的研究中主要是通过建议某种加固方法，并通过数值模拟或试验分析倒塌加固的效果。实际结构形式多样、破坏方式复杂，不同结构体系的加固有其特殊性。就结构工程学科来讲，结构试验是正确认识结构性能的一种行之有效的方法，并且就结构倒塌来说，空间结构倒塌加固试验能够更好地反映构件间的相互作用，更加真实地模拟结构的倒塌状态。现有倒塌加固研究在加固结构抗连续倒塌的受力状态、破坏机理、加固方式等方面存在较大局限性，尤其缺乏建立在空间结构倒塌加固试验研究基础上的理论研究成果。地震作用下结构的倒塌可能伴随着结构连续性倒塌，地震破坏结构的承重构件(经常是角柱)，造成双向悬臂梁型倒塌机制，地震工程界需要认识到柱破坏事件的重要性，从而考虑抗连续倒塌设计。因此，在结构抗震设计不能替代其抗连续倒塌设计的前提下，针对已有结构的抗连续倒塌加固范围和加固难度将大大增加。按照中国2010抗震规范设计的钢筋混凝土框架结构柱端弯矩放大系数取值仍旧偏低，尤其在双向地震作用下更为不利，破坏模式以柱铰机制为主。现浇板及其钢筋将提高框架梁的抗弯能力，从而改变地震作用下混凝土柱的破坏模式。因此，混凝土结构在进行抗连续倒塌加固过程中，还必须考虑到加固对整体结构受力性能的影响。已有的加固研究基本上是针对构件层次，如梁、柱和节点展开的，较少进行整体结构加固性能的试验测试和分析，对于加固结构整体受力性能的研究是被忽视的。

5 结 语

(1)对于RC框架结构的倒塌破坏机理，已经做出了富有成效的理论分析、数值模拟和试验研究，并且对不同影响因素也进行了深入探讨，但由于连续倒塌的复杂性，后续应对连续倒塌的系统性和随机性有充分的认识，更全面深入地分析倒塌的影响因素，以及对多因素耦合的情况进行相关性分析。

(2)对于板柱结构、组合结构、装配式结构研究相对较少，倒塌机理的认识还不充分，后续应着重对倒塌机理的深度和广度，以及影响因素进行全面分析；此外还应建立相应结构形式的连续性倒塌分析模型。

(3)对于RC框架结构，虽然目前已经提出了一些抗力计算模型，但仍然缺乏合理的连续倒塌分析模型。结构发生连续性倒塌，通常是由某个或某些关键构件突然失效，从而引起结构大范围的坍塌，破坏过程伴随着碰撞、冲击等强非线性行为。后续的研究应考虑构件之间的相关作用和结构抵御倒塌的系统特性，建立偶然作用下合理的结构倒塌破坏分析模型。

(4)目前的抗连续倒塌性能评价指标单一且缺乏合理性，而结构破坏的离散性和系统性决定了结构抗倒塌研究量化指标需要考虑更多的因素，因此后续应建立多参数、多层次量化指标。明确梁机制、压拱机制、悬链线机制、薄膜机制各破坏机制之间的界限以及倒塌荷载在关联构件之间的分配机制，提出广泛接受的倒塌破坏准则和与中国传统结构设计方法相融合的抗倒塌设计方法。

(5)当前绝大部分研究工作均集中在新建结构的倒塌破坏机理和设计方法层面，后续应对已有结构如何进行加固、加固后的结构连续倒塌破坏机理、抗倒塌加固设计方法等做进一步研究，特别是应进行系统有效的空间结构倒塌加固试验分析，为倒塌加固设计提供可靠的试验依据。

(6)工程领域应对结构抗连续倒塌加固进行系统性研究和深入思考，加固设计大多基于常规加固研究或构件设计得出。结构抗连续倒塌加固设计必须在原有结构承载力和延性基础上，结合连续倒塌性能进行综合分析，从结构整体受力性能角度给出抗倒塌加固设计的性能指标和加固方式，进而将抗连续倒塌加固方法应用于工程实践。

(7)现行的连续倒塌设计条文是“灾害无关的”，也就是只考虑构件突然失效后结构的后续破坏过程，而不考虑构件失效的原因。近年来很多研究都表明，由于撞击、爆炸、超载、施工失误等引起的初始破坏对后续连续倒塌过程会产生不可忽略的影响，有必要考虑“灾害相关型”连续倒塌问题。