關于結構抗連續倒塌設計方法及國外規范的探討

韓 嘯 李成華

(西安工業大學建筑工程學院，陜西 西安 710021)

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關于結構抗連續倒塌設計方法及國外規范的探討

韓 嘯 李成華

(西安工業大學建筑工程學院，陜西 西安 710021)

介紹了連續倒塌的概念，從概念設計法、拉結構件法、拆除構件法、關鍵構件法四方面，分析了建筑結構抗連續倒塌的設計方法，并探討了國外抗連續倒塌的規范要求，以供參考借鑒。

結構，連續倒塌，概念設計法，拉結構件法

0 引言

以1968年發生在英國的Ronan Point倒塌事件為標志，結構的抗連續倒塌設計越來越多的得到重視，一些國家開始建立結構抗連續倒塌的規范并給出具體的一些設計方法。隨后美國的Alferd P Murrah州政府大樓樓板倒塌以及“911”世貿中心雙子大樓倒塌為另外兩個新階段的標志，把抗連續倒塌設計研究推向了新的高潮。近幾年來由于地震、恐怖襲擊、意外爆炸事件的發生引起的建筑倒塌造成的人員傷亡、財產損失慘重，所以如何避免建筑物的嚴重破壞，保護人民生命和財產的安全得到重視。隨著科技的發展，建筑采用的材料種類也越來越多：鋼筋混凝土結構、鋼結構、組合結構，材料的性能也有著不同的差別，在抗連續倒塌方面也有不同的性能表現。

本文將對當前主要的結構抗連續倒塌設計方法以及對國內外的規范進行介紹。

1 連續倒塌的概念

連續倒塌的定義在各國的規范都略有不同，但含義基本一致，大部分專家學者還是傾向于美國土木工程協會(ASCE7-10)中的定義：結構在初始正常的使用狀態下，由于突然的荷載增大超出了局部結構的承載力，構件沿局部破壞進而傳遞給四周，最終導致結構的失效坍塌或是不成比例的部分倒塌[1]。

2 抗連續倒塌設計方法

2.1 概念設計法

這里說的概念設計是指從結構整體的冗余度、整體構造和結構延性等方面著手來增強結構的抗連續倒塌的能力。概念設計無論是在國內還是國外的設計規范中都有很重要的位置，具體來說就是要使用構件連接的方式來傳遞豎向荷載，當部分的結構發生破壞時，荷載可以順利傳遞給剩余結構，整體結構仍能保持穩定狀態。如果設計已經考慮了地震作用的影響，則結構本身就具有一定的抗連續倒塌的能力，若沒有考慮地震作用，在設計時就要對結構可能出現連續倒塌的情況進行考慮，對構造加強錨固連接措施以及在必要位置提高適當的配筋率。

概念設計法包含的主要內容：

1)提高結構整體的冗余度，保證結構布置合理；

2)保證結構的多荷載傳遞路徑；

3)考慮結構的整體性；

4)將反向荷載考慮進去；

5)樓板和梁發揮懸鏈線作用，對結構連續性配筋；

6)設計時使墻能承受橫向荷載，對墻所能承受的荷載極限進行驗算[2,3]。

2.2 拉結構件法

在結構的部分豎向支撐失效后，結構內部依靠現有的構件進行拉結，這樣可以提供有效的荷載多傳遞路徑。根據拉結方位的不同，可以分為：內部拉結、周邊拉結、豎向拉結以及承重墻拉結。例如當結構某層的結構柱遭到破壞，上部的樓板和梁間，周圍的結構柱以及承重墻相互拉結來抵抗局部破壞引起的周圍連續性破壞，進而降低連續倒塌發生的概率。采用拉結構件法還和采用材料的強度有關，不同材料的拉結強度也不同，所以要求對拉結強度進行驗算，以滿足要求。該設計方法主要針對構件，能夠在很大程度上保證結構的連續性，但是當下結構越來越復雜，進行驗算模型的簡化也越來越多，得到的結果可靠性也隨之降低。

2.3 拆除構件法

拆除構件法也可以稱為變化荷載路徑法，是目前抗連續倒塌設計最常用的方法。該方法是通過有針對性的拆除一個或幾個承重構件來對剩余整體的結構進行分析，用以判斷結構抗連續倒塌的能力。這種方法是目前可靠性最高的一種設計方法，在美國的GSA和DOD規范中都選取了此種設計方法進行設計。對于典型結構來說，要對結構外圍的短邊中柱、長邊中柱以及角柱依次進行拆除分析，然后還要拆除內部柱進行分析，以上工作需在結構的每層進行。分析從非線性和動力效應兩個方面考慮，包含四種分析:非線性靜力分析、線性靜力分析、非線性動力分析以及線性動力分析。

2.4 關鍵構件法

關鍵構件法是指對發生破壞后可能引發大規模坍塌破壞的關鍵結構進行專門的設計和加固，其目的是為了抵抗偶然荷載施加在關鍵構件上而不會造成破壞。對于哪些是建筑的關鍵構件的判定，可以通過設計人員的經驗來判斷哪些構件是易遭受突然荷載或是構件本身就是薄弱的承重構件，也可以通過拆除構件法計算所得出的結果來確定哪些構件容易破壞，進而引起結構的連續性倒塌。關鍵構件法要求預測構件上的偶然荷載的大小和類型，我國的《高層建筑混凝土結構技術規程》中給出的構件表面側向荷載的規定值為80 kN/m2[4]，而英國規范給出的值為34 kN/m2[5]。

3 國外規范

3.1 英國規范

自從Ronan Point倒塌事件之后，英國就開始對抗連續倒塌問題進行深入研究，為了防止以后類似的倒塌事件發生，進而制定了一系列的規范：Building Regulations，Approved Document 和British Standard。在Building Regulations中提出了關鍵構件設計法、拉結構件設計法以及構件的跨越設計法三種設計方法，在British Standard中提出了拉結構件設計法，按照其拉結位置及其作用的不同可以分為：內部拉結、周邊拉結、墻/柱拉結和豎向拉結。在這一系列的規章、規程中主要對拉結構件設計法進行了詳細的介紹和描述。英國是世界上第一個把有關結構抗連續倒塌問題以規范、規程的形式進行規定的國家，也提出了有關的設計方法、設計程序以及構造要求[6]。英國的抗連續倒塌規范已經有40年左右的歷史，在這期間也經歷了一些偶然事件、恐怖襲擊，結構也都經受住了考驗，這說明在一定程度上這些設計方法都是有效的。

3.2 歐洲規范

Eurocode1[7]主要針對有關具體的意外荷載的規范，該規范建議在設計時從三個方面來進行設計:降低意外事件發生的概率、減小意外荷載對結構的影響和增強局部構件的強度。Eurocode1(CEN 2006)從兩個方面來進行結構的抗連續倒塌設計：一個是控制偶然事件發生的概率，即減少偶然事件的發生來保護結構；另一個是傾向于結構的直接抗連續倒塌設計，就是降低局部構件破壞對整體結構的影響，即控制意外荷載對局部構件的破壞。Eurocode1還給出了在對結構遭受突發事件進行分析設計時的具體做法：

1)減少突然事件的發生概率，加大建筑與道路之間的距離，注意保持建筑結構的通風。

2)減少非嚴重事件對建筑結構的破壞，如在建筑物的周圍增加防護設施。

3)增強結構件的強度，減小意外事件對結構的破壞。規范對撞擊、爆炸的荷載情況進行了詳細的介紹和規定。

3.3 美國規范

美國對結構抗連續倒塌的研究浪潮是以“911”事件為開端的，在這次事件過后美國土木工程協會(ASCE)、美國總務部(GSA)以及美國國防部(DOD)等相繼推出了一系列的設計規范指南。2001年美國國防部編制《建筑抗連續倒塌設計》，美國總務部(GSA)在2003年編制《聯邦政府辦公大樓以及大型現代建筑連續倒塌分析和設計指南》，其中對抗連續倒塌設計流程進行了詳細的敘述，上述這些設計指南都多次進行了修訂。

GSA2003[8]是世界第一部專業的抗連續倒塌規范，其中明確加深了連續倒塌的定義，給出了拆除構件法的詳細流程，以及線性、非線性和動力、靜力組合的分析方法。DOD2010則是針對恐怖襲擊編制的抗連續倒塌規范。

3.4 日本規范

2005年日本鋼結構協會聯合美國高層建筑與城鄉住宅理事會編制了《高冗余度鋼結構倒塌控制設計指南》。該指南中主要對高層鋼結構設計的冗余度進行了詳細研究，提出了用三種冗余度的方法來評估結構的荷載在重新進行分布后是否有連續倒塌的危險：簡單評估法、詳細評估法以及柱軸壓比評估法[9]。

4 結語

近期法國發生了一系列的恐怖襲擊，從Alferd P Murrah州政府大樓倒塌到“911”事件，恐怖活動有日益猖獗的趨勢，所以建筑的抗連續倒塌也來到了一個更加重要的位置上。本文總結了主要的結構抗連續倒塌設計方法，對國外主要的規范指南進行了簡述，對比我國的結構抗連續倒塌研究情況來看起步比國外要晚，相關規范制定也比國外要晚一些。多數的抗連續倒塌設計仍然是依靠設計人員的經驗，用關鍵構件法以及拆除構件法進行設計。對于結構節點的形式、連接形式、支撐形式、高冗余度、結構層的布置和轉換形式以及建筑材料等因素對結構抗連續倒塌的效果也有很大的影響，關于結構抗連續倒塌需要在兼顧這些影響因素的情況之下，對設計理念以及設計流程進行詳細深入的研究。

[1] ASCE 7-10 Minimum design loads for buildings and other structures[S]. American Society of Civil Engineers，2010.

[2] Unified Facilities Criteria:Design of Structures to Resist Progressive collapse[S].U.S. Department of Defence,2005.

[3] Liu Y.Failure analysis of building structures under abnormal loads[D].Canada:University of Waterloo,2004.

[4] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

[5] 呂 婷.高層建筑混凝土框架結構雙柱失效的抗連續倒塌研究[D].濟南：山東建筑大學，2015.

[6] BSI.2002.BS8110.Structural use of concrete,Part 1:Code of practice for design and construction[S].London:British Standard Institute.

[7] CNE.2006.EN 1991-107 Eued code 1:Action on structures[J].Part 1-7:General Action Accidental actions[S].Brussels:European Committee for standardization.

[8] General Services Administration(GSA).Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Project[S].Washington DC,2003.

[9] 日本鋼結構協會，美國高層建筑和城市住宅理事會.高冗余度鋼結構倒塌控制設計指南[M].陳以一，趙憲忠，譯.上海:同濟大學出版社，2007.

On design methods for structural continuous collapse resistance and foreign regulations

Han Xiao Li Chenghua

(CollegeofArchitecturalEngineering,Xi’anTechnologicalUniversity,Xi’an710021,China)

The paper introduces the concept of the continuous collapses, analyzes the design methods for the structural continuous collapse resistance from the concept design methods, tensioning method, demolishing method, and key component methods, and explores the regulations for the structural continuous collapse resistance in foreign countries, so as to provide some reference.

structure, continuous collapse, concept design method, tensioning method

2016-03-25

韓 嘯(1989- )，男，在讀碩士； 李成華(1976- )，男，副教授

1009-6825(2016)16-0027-02

TU318

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