框架結構連續(xù)倒塌研究現(xiàn)狀

侯耿峰 周全武 吳趙強

0 引言

結構連續(xù)倒塌(progressive collapse)是指由于部分構件的破壞引起在水平和豎直方向結構的連鎖破壞而造成整個結構或大部分結構的倒塌。近年來因非常規(guī)荷載如強震、撞擊、爆炸等原因造成的此類倒塌事故屢見不鮮,所導致的人員傷亡和財產損失更是觸目驚心。這些慘痛的教訓讓我們清醒地認識到連續(xù)性倒塌分析與設計的迫切性與重要性。

國外對連續(xù)倒塌研究開展得比較早,迄今為止已有40年的歷史。在此期間,研究者們提出了很多關于連續(xù)倒塌的分析方法及設計建議,目前,英國的 British Standard、歐洲的 Eurocode1、加拿大的NBCC等均有關于如何改善結構抗連續(xù)倒塌能力的規(guī)定,美國總務管理局編制的GSA2003和國防部編制的DOD2009則較為詳細的闡述了結構抗連續(xù)倒塌的設計方法及流程。日本、俄羅斯也編制了結構倒塌控制設計規(guī)程。

國內學者在該領域的研究成果還比較有限,國內現(xiàn)行結構設計規(guī)范和標準基本未涉及抗連續(xù)倒塌問題。本文對結構連續(xù)倒塌分析與設計方法的研究現(xiàn)狀進行了歸納和比較,為今后學者開展相關研究提供參考。

1 結構連續(xù)倒塌分析

連續(xù)倒塌分析的目的是確定結構抵抗非常規(guī)荷載的能力,檢驗結構關鍵部件的承載能力或者檢驗當某個關鍵部件移除后荷載的重分布能力。從分析過程看,連續(xù)倒塌分為連續(xù)倒塌風險評估和連續(xù)倒塌仿真。前者采用合適的方法對已有建筑或擬建建筑進行連續(xù)倒塌風險分析,主要應用于抗連續(xù)倒塌設計;后者則對結構連續(xù)倒塌的全過程進行模擬。

1.1 連續(xù)倒塌判定準則

合理的破壞準則是進行連續(xù)性倒塌分析的前提。目前連續(xù)倒塌常用的破壞準則有變形準則、強度準則或由兩種經過組合而形成的雙重破壞準則,如GSA2003標準規(guī)定線性分析采用強度破壞準則能力需求比DCR;非線性分析采用支座轉角、變形以及相應的延性等變形破壞準則。但是我們應該認識到破壞的概念很大程度上適用于結構個別構件,而結構連續(xù)倒塌往往是表現(xiàn)在整體破壞上,是針對整個結構的,故判定連續(xù)倒塌的準則還有待于進一步研究。

1.2 連續(xù)倒塌風險評估

連續(xù)倒塌是一個由平衡到不平衡再到平衡或破壞的復雜動力發(fā)展過程。連續(xù)倒塌風險評估分析方法按照是否考慮非線性和動力效應分為:線彈性靜力分析、非線性靜力分析、線彈性動力分析和非線性動力分析;按照分析對象的初始狀態(tài)不同分為:針對意外荷載進行分析、針對局部破壞進行分析。

1.3 連續(xù)倒塌仿真

綜合運用固體力學理論和非線性有限元數(shù)值分析技術,對結構連續(xù)倒塌的全過程進行仿真,是當前研究工作的前沿。目前有四種倒塌仿真方法:1)修正有限元法;2)離散單元法或散體單元法;3)在已有的有限元軟件的基礎上進行二次開發(fā);4)直接采用顯式動力有限元分析軟件,如LS-DYNA。

2 結構抗連續(xù)倒塌設計

結構的抗連續(xù)倒塌設計考慮的是因意外事件導致部分構件失效退出工作后,剩余結構的抗倒塌能力,其設計目標和計算模型與一般結構設計情況有所不同,目前學術界普遍采用的結構抗連續(xù)倒塌設計方法主要有事件控制法、間接設計法、直接設計法。

2.1 事件控制法

事件控制法要求突發(fā)事件在發(fā)生前即予以控制或通過設置防護欄等隔離危險源,使非常規(guī)荷載無法作用到建筑上,是結構設計以外的一類措施。

2.2 間接設計法

間接設計法從結構的整體性、延性、冗余度和構造等結構設計概念出發(fā)來改善結構的抗連續(xù)倒塌能力,實際上一種概念設計,主要通過拉結強度設計法來實現(xiàn)。拉結強度法是通過在結構中設置水平和垂直的拉結筋,有效地將結構連接在一起,保證了結構的整體牢固性,同時提供給結構在局部破壞后的備用荷載傳遞路徑,限制破壞的發(fā)展,避免連續(xù)倒塌的發(fā)生。由于該方法的計算模型過于簡化,選取參數(shù)的經驗性成分較多,故其可靠性和經濟性存在一定問題。

2.3 直接設計法

直接設計法是對明確的結構破壞或荷載進行設計和驗算,包括局部抵抗偶然荷載方法和改變傳力路徑法。

局部抵抗偶然荷載設計方法要求建筑及局部具有足夠的強度來抵抗既定的偶然事件造成的偶然荷載,這種方法要求預測作用于結構上的偶然作用類型及其量值,然后對關鍵構件進行承載能力極限狀態(tài)分析,進而設計并提高關鍵構件的安全度,使其具有足夠的強度在一定程度上抵御偶然荷載作用。

改變傳力路徑法通過“拿掉”可能遭受破壞的結構構件來模擬它的初始破壞,通過有限元法驗算“剩余結構”的強度,保證結構具有多荷載傳遞路徑,允許一定程度的破壞而不發(fā)生坍塌,如果結構發(fā)生連續(xù)倒塌,則對“拿掉”的構件和相鄰構件進行加強,否則不必加強。該方法主要關注結構因偶然事件引起局部破壞后的整體反應,而和引起結構局部破壞的原因無關,適用于任何意外事件下的結構破壞分析,是目前國外抗連續(xù)倒塌設計的主流方法。

3 結論與展望

1)目前的結構倒塌分析對結構倒塌的原因、過程及后果不作考慮,實際上還必須進行包括倒塌在內的全過程分析,而這必將涉及不連續(xù)位移場描述、接觸—碰撞分析以及結構倒塌過程中的大位移、大轉動等難點,此外現(xiàn)有的連續(xù)倒塌設計也多局限于構造層次上的概念設計,故更加高效完善的分析、設計方法亟待研究。2)由于失效荷載模擬、數(shù)據(jù)采集等較有難度,且倒塌具有不可重復性,結構連續(xù)倒塌試驗研究非常少,沒有可靠的實際觀測和試驗數(shù)據(jù)驗證計算機仿真分析的準確性,故試驗研究有待進行。3)應在國外研究成果的基礎上,結合我國的國情提出合適的分析設計方法。

[1] 胡曉斌,錢稼茹.結構連續(xù)倒塌分析與設計方法綜述[J].建筑結構,2006,36(S5):79-83.

[2] 江曉峰,陳以一.建筑結構連續(xù)性倒塌及其控制設計的研究現(xiàn)狀[J].土木工程學報,2008,41(6):1-8.

[3] 王怡然,朱 博.淺析建筑物倒塌的原因及防止連續(xù)倒塌的方法[J].山西建筑,2008,34(7):119-120.