浅谈高层建筑抗连续倒塌设计

摘要：结构发生连续倒塌会导致严重的生命财产损失，日益受到工程设计人员的关注，欧美等国相继制定了连续倒塌相关设计规范。本文对现有的结构连续倒塌规范设计分析方法进行总结和归纳。

关键词：高层建筑；抗连续倒塌；设计方法

Abstract:Structure in continuous collapse can result in severe loss es of life and property, is being engineering design personnel attention, European and American countries successively formulated relevant design code for continuous collapsed. In this paper, the existing structure collapsed design analysis method for regulating summarized and concluded

Key words: High-rise building；Progressive collapse ；Design method

中图分类号：TU97文献标识码：A 文章编号：

1．引言

近年来，国内外建筑物因遭受意外偶然事件发生倒塌的事故屡有发生，造成公、私财产的巨大损失和重大人员伤亡，对社会安定构成极大威胁。可能导致建筑物发生部分倒塌甚至全部倒塌的原因很多，从结构工程的角度来看，触发建筑结构发生连续倒塌的原因可分为三类；第一类是施工或设计的失误，第二类是由于地震、台风等自然灾害，第三类是火灾、爆炸(包括恐怖袭击，煤气等)、战争(例如，1999年北约对南联盟的轰炸)以及撞击(飞行器，车辆等)等人为因素。

2．国外主要抗连续倒塌设计规范

目前，一些主要的国外规范中均有关于如何改善结构抗连续倒塌能力的规定，如英国的British Standard【1】、欧洲的Eurocode 1【3】等。美国公共事务管理局编制的《联邦政府办公楼以及大型现代建筑连续倒塌分析和设计指南》【4】（GSA 2003）和美国国防部编制的《建筑抗连续倒塌设计》【5】（DoD 2005）则较为详细的阐述了结构抗连续倒塌的设计方法及流程，国内外都有学者总结和综述了各国的抗倒塌设计规范【6】。

3.国外主要抗连续倒塌设计方法

结构的抗连续倒塌设计方法可以分为两类：1）针对意外事件进行设计，保证结构构件在意外荷载作用下一定的承载力；2）针对局部破坏进行设计，使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。本文主要讨论的是针对局部破坏所采用的设计方法，主要分为两大类：1）间接设计：基本上指一些概念性的设计措施，同时还包括拉结强度法；2）直接设计：主要为拆除构件法和关键构件法。

3.1概念设计措施

各国规范和设计指南均强调了进行抗连续倒塌概念设计的重要性。研究表明，对于充分考虑风荷载和地震荷载进行设计的结构，结构本身已具备较好的整体性和延性，能一定程度上抵御连续倒塌的发生。因此，在此基础上采取一些针对意外事件的概念性的设计措施，不仅可以取得良好的效果，而且不会过多的增加建筑的造价。一般包括以下几个方面：1）合理的结构布置，避免结构的薄弱处；2）加强连接构造，保证结构的整体性和连续性；3）提高冗余度，保证多荷载传递路径；4）采用延性材料，延性构造措施，实现延性破坏；5）考虑反向荷载作用；6）楼板/梁的悬链线作用；7）设计墙使其能承受横向荷载。

3.2 拉结强度法

在结构中通过现有构件和连接进行拉结，可提供结构的整体牢固性以及荷载的多传递路径。有人将该方法归为一种量化的概念设计。

按照拉结的位置和作用可分为内部拉结、周边拉结、对墙/柱的拉结以及竖向拉结四种类型。对于各种拉结，要求传力路径连续、直接，并对拉结强度进行验算。一般来说，结构材料不同，拉结强度的要求也不一样。以内部拉结为例，英国规范中混凝土结构和钢结构的内部拉结强度计算公式中荷载组合系数有差异，此外混凝土结构的内部拉结强度与结构层数和拉结跨度有关，而在钢结构中则与拉结的跨度和间距有关。

3.3拆除构件法

拆除构件法通过有选择性的拆除结构的一个或几个承重构件（柱、承重墙），并对剩余结构进行分析，确定初始破坏发生蔓延的程度，以此评价结构抵御连续倒塌的能力。GSA 2003中规定，对于典型结构，建筑每层的长边中柱（墙）、短边中柱（墙）及角柱（墙）均须一一拆除进行分析，并考虑建筑底层和地下停车场不易采取安全防护措施，该层还需拆除一根内部柱（墙）。

根据是否考虑非线性和动力效应，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、非线性动力分析。这四种分析方法依次从简单到复杂，简单的方法实施方便，计算快速，但不精确，同时出于安全的考虑，往往采用更保守的荷载组合，因而得到保守计算结果；复杂的方法精确程度较高，但繁琐耗时，而且对计算结果很难进行检验。对此，有学者提出一种渐进分析步骤（progressive analysis procedure），即依次采纳从简单的线弹性静力分析到复杂的非线性动力分析，计算逐步精确，而且每一阶段的计算结果均建立在上一阶段结果的基础上，相对易于检验，并且采用这种方法用SAP2000对一钢框架依次进行了计算，对GSA2003的一些条文提出了建议。

3.4关键构件法

对于无法满足拆除构件法要求（即拆除后可能引发结构大范围坍塌）的结构构件，应设计成为关键构件，使其具有足够的强度能一定程度上抵御意外荷载作用。在英国及欧洲规范中，关键构件在原有荷载组合的基础上各个方向应能承受额外的34kN/m2的均布荷载，该值通过参考Ronan Point公寓承重墙的失效荷载得到的，而并不是针对爆炸计算得到的压力值。当然，该荷载值总是有可能被超越的。但通过该方法加固对结构整体稳定性有重要影响的构件，能一定程度上减轻局部破坏发生的程度从而降低连续倒塌发生的可能。设计中应将这种方法和拆除构件法结合起来，既能有效改善结构抵御连续倒塌的能力，同时也能减少建造费用，取得良好的经济效益。

4.结论

我国胡庆昌【2】教授编写书籍详细说明了减震控制以及连续倒塌控制。本文对欧美等国抗连续倒塌相关规范方法进行了简单的总结介绍并指出存在的问题，但是我国关于抗连续倒塌的研究现状还是不容乐观，需要做进一步的学习和研究。

参考文献

[1]BS8110-1:1997, Structural use of concrete: Part1: Code of practice for design and construction[S]. British Standards Institution,London

[2]胡庆昌，孙金犀，郑琪．建筑结构抗震减震与连续倒塌控制[M]． 北京：清华大学出版社，2005．3

[3]Draft prEN 1991-1-7, Eurocode 1-Actions on structures, Part1-7: General Actions-Accidental actions[S]. European Committee for Standardization, Brussels

[4]GSA2003, Progressive collapse analysis and design guidelines for new federal office buildings and major modernization project[S]. U.S.General Services Administration,June 2003

[5]UFC 4-023-03, Design of Structures to Resist Progressive Collapse[S]. Department of Defence, 2005.

[6]Osama A, Mohamed. Progressive Collapse of Structures: Annotated Bibliography and Comparison of Codes and Standards .Journal of Performance of Constructed Facilities2006,20（4）:418-425

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。