结构抗连续倒塌设计分析方法探讨

结构抗连续倒塌设计分析方法探讨[摘要]在结构设计的过程中，保证结构的安全是首要考虑的问题，在设计过程中能防止结构发生连续倒塌对安全起到重要保障。拆除构件设计法、拉结度法、多重荷载路径法是我们在结构设计过程中常用的方法，本文就结构抗连续倒塌设计分析方法进行探讨。[关键词]结构；连续性；倒塌；设计方法一、前言在我们的日常生活中重大的倒塌事故时有发生，一旦发生倒塌事故必然会对我们日常生活和人们的生命财产造成影响，社会影响也十分的恶劣。因此，我们在进行结构设计的过程中首先要保证结构的安全性，在发生地震、海啸等自然灾害的情况下保证结构不发生连续性倒塌，这就需要我们从设计上对结构连续性倒塌问题进行考虑。二、主要设计分析方法总结通过对各国规范的介绍可归纳结构的抗连续倒塌设计方法主要可以分为两大类：1、针对偶然作用进行设计，保证结构或构件在偶然作用下仍然具备一定的承载能力；2、针对局部被破坏进行设计，使结构具备多道传力路径，允许一定程度的破坏但不发生坍塌。针对局部破坏所采用的设计方法分为间接设计与直接设计两大类。间接设计一般是指那些概念性的措施；而直接设计主要为拆除构件法和关键构件法。三、钢筋混凝土结构抗连续倒塌设计的原则1、抗倒塌设计的经济性防止建筑结构发生连续倒塌的最根本目的是为了减少由于倒塌而引起的人员和财产的损失。基于防止倒塌的目的,人们必然会想到增加建筑物对于偶然荷载的抵抗能力。然而,对于结构抗力的增加,其导致的直接后果就是造价的增加。在我国现行的设计规范中,采用的是以概率理论为基础的极限状态设计法。通常结构上的作用,除永久作用以外,都是不确定的随机变量,有时还与时间参数、甚至与空间参数有关。这种设计方法将结构上的作用效应作为随机变量,采用概率论的方法进行描述。对于爆炸这种偶然荷载的作用,从统计学上来讲,其有两个重要特征是我们在研究结构的抗倒塌性能时不容忽视的：一是具有极度的不确定性。这种荷载的作用时间,作用在结构上的位置,作用的大小以及以何种方式作用在结构上都难以确定。二是这种作用从概率上来讲属于小概率事件,在现行的设计规范中不考虑这种小概率事件。与之相矛盾的是,一旦小概率发生,就会产生极为严重的后果。针对偶然作用进行设计,增强结构的抗力,会对防止连续倒塌发生起到一定效果。如果按现有的可靠度水平针对偶然荷载进行设计,除了增加结构的抗力以外,更多的是结构造价的增加。在建筑的造价与安全风险之间是二者的平衡关系。结构危险程度的降低带来的是结构造价的显著升高；如果过分的强调降低造价,带来的是使结构风险的加大,同时由于风险的增加,将会造成结构破坏损失的加大,从而增大了结构的实际成本。因此,我们应当将选择适当的设计参数达到结构造价与风险的平衡。从防止连续倒塌的角度来说,我们要做的就是,找到经济性与安全性的平衡点,从而能够做到既满足抗倒塌的要求,又能够将造价降到人们可接受的范围以内。2、设计与灾害源不相关的原则因为偶然荷载的作用是很难确定的,针对偶然荷载的作用,让建筑物提供特定的抗力,从而使其能够提供抗倒塌能力,从经济上来讲也是代价高昂的,这有违于我们前面所讲的经济性原则。对于有求具有很高抗爆能力的军用设施,具有明确的设防要求,通常可以事先假定其设防目标,并针对该目标进行设计。但对于民用建筑来讲,其可能遭受的偶然荷载的作用是不明确的,我们无法设定具体的目标。因此,我们在讨论抗连续倒塌的原则时,应当忽略引起连续倒塌的灾害源,从而能够使我们针对特定的结构破坏状态,提出相应的设计方法。因为我们进行抗倒塌设计的目的是防止连续倒塌的发生,而不是要求建筑具有抵抗特定荷载的能力,所以只要我们提出在局部破坏以后结构所处的状态,然后针对这种特定状态进行设计,而不用事先知道偶然荷载的大小以及发生的概率等。四、主要设计方法1、拆除构件设计法在现有抗连续倒塌设计方法中，拆除构件设计方法是最为准确可靠的设计方法。为准确的确定结构的抗连续倒塌能力，拆除构件设计方法有两个关键问题需要解决。（一)结构倒塌过程的复杂性。结构的倒塌破坏是一个非常复杂的非线性动力过程，而结构的非线性动力计算代价高昂且对设计人员也有很高要求。故目前较为先进的规范都根据建筑物的复杂程度和重要性等级建议了不同的倒塌过程模拟方法。对于特别复杂或特别重要的建筑物，需要采取非线性动力计算。而对于其他建筑物，可以采用线弹性静力、线弹性动力、非线性静力等近似计算方法。并通过引入动力放大系数、强度折减系数等经验系数来近似考虑结构倒塌的动力过程和弹塑性影响。就我国目前工程实践情况而言，宜可参考此类做法。故本文重点研究了拆除构件分析的非线性动力计算，并以此分析结果为依据，给出线弹性静力计算模型和设计方法。（二)初始破坏构件的不确定性。实际结构的构件众多，如果再考虑多个构件组合，则构件失效的工况数将非常庞大，对所有工况逐个进行分析实际上难以承受。目前各国规范通行方法是，每次分析只考虑一个构件退出工作，且只考虑易遭受破坏的竖向受力构件。同时允许设计人员根据工程具体情况判断易遭受破坏构件的风险，增加分析工况。在没有更充分依据的情况下，本文也参照此做法，按照国外规范通行的拆除构件顺序，从顶层到底层，依次拆除每层的长边短边中柱和角柱以及底层的中间柱。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。我国规范GB50010在对第3.1.6条的说明中对拉结的概念和作用有一些简单的描述，但没有具体规定。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。根据最近AbruzzoJohn等人的研究，即使满足现行美国混凝土规范ACI318-02中的整体性要求以及DoD2005中的拉结强度规定，结构在抵御连续倒塌方面仍然具有明显的弱点。同时，如果涉及到复杂、不规则结构的设计，设计者将很难有效的理解并采用这一方法。尽管如此，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造费用。3、多重荷载路径法多重荷载路径法也叫拆除构件法，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。GSA2003中规定，对于典型结构，建筑每层外围的长边中柱（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）。对于不规则结构，设计者须根据工程经验判断拆除位置。拆除构件法能较真实的模拟结构的倒塌过程，较好的评价结构抗连续倒塌的能力，而且设计过程不依赖于意外荷载，适用于任何意外事件下的结构破坏分析。但另一方面，拆除构件法设计繁琐，往往需要花费较多的时间和人力物力资源，这无论是对于业主还是设计者而言都是很难接受的。因此，对于重要性较低的建筑，应尽量采用简单易行的方法，而对于重要性较高的建筑则应采用复杂的方法进行精确分析。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234KN/m的均布荷载，该值是通过参考RonanPoint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。五、防止结构发生连续倒塌的方法结构工程师对结构的抗连续倒塌设计是防止结构连续倒塌的第三条防线，也是最为有效的方法。合理的结构设计对于结构的抗连续倒塌能力起着决定性的影响。1、采用超静定结构体系。使结构具备抗连续倒塌的能力的一个最基本的要求就是采用超静定结构。结构因偶然作用发生局部破坏时，超静定体系可以提供多条传力路径，保证剩余结构的整体稳定性。另外，构件可以在多个位置上产生塑性铰，这同时也提高了备用荷载传递路径形成的可能性。2、采用具有良好延性的建筑材料。当结构遭受偶然作用时，构件会因受力过大而进入塑性状态。所以，在结构主体与节点处使用延性较好的建筑材料可以明显提高结构塑性变形能力与内力重分布能力。而且，还可以避免结构发生脆性破坏，为人员逃生与营救争取宝贵时间。3、采用耗能支撑。偶然作用常常伴随着冲击作用，因此，在条件允许下，可选用耗能支撑铰可以有效的减小冲击荷载对结构的影响。4、考虑荷载的反向作用。对于诸如燃气爆炸等偶然事件，在其作用下的构构件很有可能会陷入冲击波漩涡，进而导致这些结构构件承受了和正常设计方向相反的荷载。所以，对于受力构件，都应该考虑偶然事件作用下荷载反向的可能。5、设置防撞柱，对于底层经常会有车辆来往或者存在停车场的建筑，可以在建筑外围设置防撞柱来减小车辆对柱的撞击影响。6、节点设计。节点的强度与延性直接影响了结构的承载能力，因此通过构造措施来改善构件之间的连接节点是更为有效的一种方法。对于钢结构或者组合结构来说，节点的设计要比其他结构体系重要的多，因此在节点设计环节应该给予足够的重视。六、结束语在结构设计的过程中，我们要根据现场的实际情况采用不用的设计方法，并采取相关的措施来保证结构的安全性，降低连续性倒塌对人们群众生命和财产造成的损失。参考文献[1]胡晓斌.结构连续倒塌分析与设计方法综述[J].建筑结构,2011[2]易伟建.钢筋混凝土框架结构抗倒塌性能的试验研究[J].建筑结构学报,2010