框架結構抗爆和抗連續倒塌研究進展及問題

(廣州大學土木工程學院 廣東 廣州 510000)

隨著社會經濟的發展，越來越多滿足人們各種使用功能的建筑不斷興建，如何規避或減輕建筑物因遭受地震、臺風、爆炸沖擊等外力影響而引發的結構破壞甚至倒塌對人們生命財產安全的威脅，是土木工程學者不斷探索研究的重要任務，建筑材料和建筑技術也緊隨著建筑的各種使用要求和抗力要求日益革新。

典型的重大爆炸事故造成人員及財產損失慘重，近年來，我國部分大型新建項目已將防爆性能作為結構設計的重要環節，如深圳證券交易中心、上海虹橋機場樞紐中心等，考慮了結構物的抗爆性能進行設計，建筑結構抗爆性能已成為結構設計中的關鍵問題之一。

鋼管混凝土從出現至今在國內外學者的研究完善之下，理論及應用都有成熟的體系。鋼管混凝土結構顧名思義是指在鋼管中填充混凝土，鋼管和混凝土共同承受外荷載。作為組合結構，鋼管混凝土發揮了混凝土三向受壓下較強的抗壓性能，通過鋼管的套箍作用彌補了混凝土較弱的抗拉和抗剪性能，同時鋼管又因內部填充了混凝土而提高鋼材的剛度和改善受壓時易失穩的情況。兩種材料相互作用既充分發揮了優點又改善了單一材料的不足之處，因此鋼管混凝土結構目前被大量運用于橋墩、高層、超高層建筑等大型基礎設施或公共建筑中。

上述提及大橋、高層、超高層建筑作為當今社會一些地標性建筑、人口密集區域建筑或有政治、經濟、軍事，交通意義的建筑設施都會成為恐怖襲擊的目標或要考慮結構抗爆性能。爆炸在瞬間釋放巨大的能量，爆炸產生的荷載具有傳播速度快、峰值大、作用時間短等特點，爆炸事故一旦發生會直接造成人的生命財產安全損失外，還有可能對建筑結構的局部產生破壞，從而產生不成比例的結構連續倒塌，造成一系列更嚴重的次生災害。

建筑結構遭受爆炸荷載的來源有兩方面。一方面是主動性恐怖襲擊，恐怖分子的目標往往是重要建筑或人口密集區域建筑，手段主要是定點安置爆炸物和移動式的汽車炸彈。另一方面是意外性爆炸事故，主要原因為人們生活生產上的管理不善和操作不慎造成燃氣泄漏、易燃物燃燒等引發爆炸。結構抗爆技術的進步伴隨著人類付出的慘痛代價，下列為至今爆炸事件和結構抗爆、抗連續倒塌學術界的發展歷程概況。

1968年5月16日，英國倫敦的Ronan Point公寓大樓一角某室內煤氣泄露引發爆炸引發大樓該區域連續倒塌，事故中有4人死亡、17人受傷。事故引起了國際結構工程界的高度重視和廣泛的研究討論，視為各國工程界修訂抗爆、抗連續倒塌規范規程的起點。

1995年4月19日，美國俄克拉荷馬州的Alfred P.Murrah聯邦大樓門前遭遇汽車炸彈恐怖襲擊致使建筑前部連續坍塌，整個建筑三分之二部分破壞，造成168人死亡，680余人受傷，經濟損失6.52億美元。該事件政治影響和抗爆、抗連續倒塌學術意義巨大，進一步引起土木工程學者研究熱潮。

2001年9月11日，美國紐約的世貿中心雙子塔被塔利班組織恐怖分子劫持飛機撞擊，爆炸及引發大火造成兩座超高層建筑中部開始倒塌，化為烏有，事故遇難者總數高達2996人，經濟損失達2000億美元。事后，高層建筑結構的抗倒塌設計更為引起工程界的重視，針對性的《GSA2003》、《DoD2005》等一系列設計規范相繼修訂出臺。

Mehrdad Sasani等對六層帶填充墻的鋼筋混凝土框架結構進行抗倒塌試驗研究并和有限元數值模擬對比。試驗模擬了底層相鄰的兩根柱(一根邊柱和一根角柱)失效移除，結果顯示剩余框架荷載重分配，依靠Vierendeel懸鏈線效應承受荷載，結構只發生6.4mm的豎向位移。

易偉健等對鋼筋混凝土框架結構因底層框架柱失效后進行倒塌靜力分析，研究對象為一個三層的縮尺比例框架試驗模型，通過往失效柱頂增加荷載，分析倒塌響應。研究表明底層失效后，失效處梁豎向位移456mm，轉角10.3°，框架剩余承載力約為框架懸鏈線效應極限承載力的70%。

Vlassis等提出一個簡化的用于多層框架結構的倒塌分析評估方法，假設框架柱構件在偶然荷載下突然失效移除，通過三個獨立階段去分析剩余框架的響應，分別是樓板系統的非線性靜力破壞分析、簡化的能量守恒動力學評估和最大動力變形下延性評估。

高超等進行3層鋼管混凝土框架結構模型在不同起爆點、不同距離、不同炸藥當量等條件下的爆炸荷載試驗，研究爆炸荷載下框架結構的動力響應、失效模式和連續倒塌破壞機理并進行非線性有限元動力對比分析。試驗結果表明：內爆炸引起的破壞要遠大于外源爆炸，但由于框架結構內部傳力路徑較多，可進行內力重分布,局部倒塌的發生不至于引起框架結構的連續倒塌破壞；數值模擬基本反映角部爆炸荷載作用下RC框架結構的動力災變過程，可為今后的參數影響分析和爆炸荷載作用下RC框架連續倒塌破壞模式控制提供參考。

Hao Hong等利用LS-DYNA有限元軟件中建立一個三層兩跨鋼筋混凝土框架結構，按照美國國防部頒布的抗連續倒塌分析規范GSA和DoD中的要求，模擬結構在爆炸荷載作用下的連續倒塌響應，并提出一種改進的DYN分析方法。模擬結果表明DoD方法比GSA方法對倒塌的豎向位移有更合理的評估，但仍需要更多試驗、模擬來研究結構失效柱的本構特性。

針對節點、結構的爆炸荷載作用下抗連續倒塌研究集中于混凝土結構，混凝土結構的延性較弱，直接遭受荷載的鋼筋混凝土柱延性不足而失效，導致整個結構連續倒塌。從911事件教訓得知，地標性高層建筑，人流集中地下空間，大橋一般采用鋼/鋼管混凝土結構，考慮結構抗爆性能及抗連續倒塌性能更有研究意義。

張秀華等采用流固耦合算法，通過有限元分析軟件LS-DYNA建立一個五層鋼框架結構、炸藥和空氣數值模型，模擬鋼框架在近地爆炸荷載作用下超壓和沖擊波的傳播，結構的響應。分析結果表明采用拉格朗日-歐拉耦合算法可以較好地模擬爆炸荷載作用下結構的動力響應，且要同時考慮爆炸沖擊波和地面運動對結構的破壞；結構的破壞首先從迎爆柱柱中和柱頂節點開始產生較大塑性變形而導致整體結構連續倒塌。

結論

團隊曾做過鋼管混凝土柱構件試驗，結果表示圓鋼管混凝土柱有更明顯的屈服平臺和更強的豎向承載力儲備，適合用于結構抗爆。目前國內外對于使用鋼管混凝土柱的框架結構爆炸荷載作用下的連續倒塌研究不多，主要集中在鋼筋混凝土結構和鋼結構框架方面，對采用鋼管混凝土柱的混合框架結構在爆炸荷載作用下的倒塌分析的數值模擬和試驗研究尚不多見，因此有必要開展鋼管混凝土框架組合結構在爆炸荷載作用下的研究。