浅论结构抗连续倒塌设计

【摘要】房屋结构在遭受偶然作用时如发生连续倒塌，将造成人员伤亡和财产损失，是对安全的最大威胁。总结结构倒塌和未倒塌的规律，采取针对性的措施加强结构的整体稳固性，就可以提高结构的抗灾性能，减少结构连续倒塌的可能性。本文通过对结构连续倒塌的论述，提出了结构抗连续倒塌的一些设计方法。

【关键词】结构 连续倒塌结构体系 设计方法关键构件

[Abstract] housing structure subjected to accidental actions such as progressive collapse occurs, will cause casualties and property losses, is the biggest threat to the security of the. Summary of the structure collapsed and the rules did not collapse, take targeted measures to strengthen the overall stability of the structure, it can improve the structure of the anti-disaster ability, reduce the possibility of the progressive collapse of the structures. In this paper, through the progressive collapse on the structure of the paper, put forward some design methods of structure to resist progressive collapse.

[keyword] structure progressive collapse critical component design method of structure system

中图分类号：TU318文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

一、结构连续倒塌的概念

结构连续倒塌是指结构因突发事件或严重超载而造成局部结构破坏失效，继而引起与失效破坏构件相连的构件连续破坏，最终导致相对于初始局部破坏更大范围的倒塌破坏。造成结构连续倒塌的原因可以是爆炸、撞击、火灾、飓风、地震、设计施工失误、地基基础失效等偶然因素。

结构连续倒塌的事故在国内外并不罕见。英国 Ronan Point公寓煤气爆炸倒塌，美国AlfredP.Murrah联邦大楼、WTC世贸大楼倒塌，我国湖南衡阳大厦特大火灾后倒塌，法国戴高乐机场候机厅倒塌等都是比较典型的结构连续倒塌事故。

二、结构抗连续倒塌设计的一般方法

结构抗连续倒塌的设计方法可以分为间接设计方法和直接设计方法两大类。间接设计方法包括概念设计法和拉结强度法。直接设计法包括拆除构件法和关键构件法。

概念设计法

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；（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）发挥楼板和梁的悬链线作用；（7）设置剪力墙使其能承受一定数量的横向荷载。

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。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。该方法能一定程度上保证结构在连续性和整体性上的基本要求，而且比较简单，不显著改变结构构型而且不过多增加建筑费用。

3、拆除构件法

拆除构件法通过有选择性地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。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。

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。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。

三、我国规程的抗连续倒塌设计方法

结构抗连续倒塌设计在欧美多个国家得到了广泛关注，英国、美国、加拿大、瑞典等国颁布了相关的设计规范和标准。我国对结构抗连续倒塌的研究开始得比较晚，研究成果不多，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）首次将其列入。

抗连续倒塌设计的要求

安全等级为一级的高层建筑结构应满足抗连续倒塌概念设计要求；有特殊要求时，可采用拆除构件方法进行抗连续倒塌设计。

2、抗连续倒塌概念设计要求

抗连续倒塌概念设计应符合下列规定：

（1）应采取必要的结构连接措施，增强结构的整体性。

（2）主体结构宜采用多跨规则的超静定结构。

（3）结构构件应具有适宜的延性，避免剪切破坏、压溃破坏、锚固破坏、节点先于构件破坏。

（4）结构构件应具有一定的反向承载能力。

（5）周边及边跨框架的柱距不宜过大。

（6）转换结构应具有整体多重传递重力荷载途径。

（7）钢筋混凝土结构梁柱宜刚接，梁板顶、底钢筋在支座处宜按受拉要求连续贯通。

（8）钢结构框架梁柱宜刚接。

（9）独立基础之间宜采用拉梁连接。

3、抗连续倒塌的拆除构件法

（1）抗连续倒塌的拆除构件方法应符合下列规定：

1）逐个分别拆除结构周边柱、底层内部柱以及转换桁架腹杆等重要构件。

2）可采用弹性静力方法分析剩余结构的内力与变形。

3）剩余结构构件承载力应符合下式要求：

（1）

式中Sd—剩余结构构件效应设计值，可按式（2）计算；

Rd—剩余结构构件承载力设计值，可按下面第（3）点的规定计算；

β—效应折减系数。对中部水平构件取0.67，对其他构件取1.0。

（2）结构抗连续倒塌设计时，荷载组合的效应设计值可按下式确定：

（2）

式中SGK—永久荷载标准值产生的效应；

SQi,k—第i个竖向可变荷载标准值产生的效应；

Swk—风荷载标准值产生的效应；

ψqi—可变荷载的准永久值系数；

ψw—风荷载组合值系数，取0.2；

ηd—竖向荷载动力放大系数。当构件直接与被拆除竖向构件相连时取2.0，其他构件取1.0。

（3）构件截面承载力计算时，混凝土强度可取标准值；钢材强度，正截面承载力验算时，可取标准值的1.25倍，受剪承载力验算时可取标准值。

（4）当拆除某构件不能满足结构抗连续倒塌设计要求时，在该构件表面附加80kN/m2侧向偶然作用设计值，此时其承载力应满足下列公式要求:

(3)

(4)

式中Rd—构件承载力设计值；

Sd—作用组合的效应设计值；

SGk—永久荷载标准值的效应；

SQk—活荷载标准值的效应；

SAd—侧向偶然作用设计值的效应。

参考文献：

[1] 沈蒲生编著．高层建筑结构设计．北京：中国建筑工业出版社，2012

[2] 陈肇元主编．建筑与工程结构抗倒塌分析与设计．北京：中国建筑工业出版社，2010

[3] JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程

[4] GB 50010-2010，混凝土结构设计规范