混凝土框架结构的抗连续性倒塌设计方法.pdf
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1、建筑结构建筑结构/Building Structure, 2010, 40(2): 1-7. 1 混凝土框架结构的抗连续性倒塌设计方法混凝土框架结构的抗连续性倒塌设计方法1 叶列平,陆新征,李易,梁益,马一飞 清华大学土木工程系,北京 100084 摘 要:介绍了各国规范关于结构抗连续性倒塌的设计目标和有关设计规定。结合按我国规范设计的钢筋 混凝土框架结构的实际情况和抗连续倒塌设计目标,在大量分析研究的基础上,提出了对我国框架结构抗 连续性倒塌的概念设计方法、拉结强度设计方法和拆除构件设计法,并给出了有关配筋构造措施。 关键词:框架结构;抗连续性倒塌;拉结强度;拆除构件;配筋构造 Design
2、 Method on the Progressive-collapse-resistance of RC frames Ye Lieping, Lu Xinzheng, Li Yi, Liang Yi, Ma Yifei Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084 Abstract: This paper firstly introduced the design objectives and corresponding specifications of the progressive-collap
3、se-prevetion in different codes of foreign countries. Based on a number of calculations, with the consideration of the actual structures designed according to Chinese codes, and the design objectives for Chinese structures, the design methods for the progressive-collapse-prevention of Chinese RC fra
4、me structures are proposed in this paper, which include conceptual method, tie force (TF) method and alternative path (AP) method, together with corresponding detail design requirements. Keywords: frame structure, progressive-collapse-resistance, tie force method, alternative path, detail design 1、引
5、言、引言 结构是由若干结构构件连接形成、并能够长期安全可靠地承受其上各种荷载和作用的合 理的整体承力骨架系统。各种荷载和作用,不仅包括结构正常使用状态下结构自重等永久荷 载,人群和物品等可变荷载,以及自然环境对结构的作用,如风荷载、地震荷载、化学腐蚀 等,还应包括发生意外事件的偶然荷载与作用,如爆炸、冲击、火灾和超设防烈度的特大地 震。 根据荷载与作用随时间的变异性,我国建筑结构设计标准将荷载与作用分为:永久荷载 与作用、可变荷载与作用、偶然荷载与作用。其中,永久荷载与作用和可变荷载与作用的量 值、作用位置和作用特性都是可以估计的,且估计值具有一定保证率,据此按现行结构设计 方法,通常可以保证
6、所设计的结构具有足够的安全度,也即产生破坏的失效概率足够小。然 而,偶然荷载与作用属于极小概率事件,其量值、作用位置和作用特性都无法估计,并且具 1资助项目:国家科技支撑计划课题(2006BAJ03A02) ;国家自然科学基金重大研究计划重点项目资助(90815025) ;国家科 技支撑计划项目 2009BAJ28B01 叶列平(1960-),男,浙江温州人,清华大学土木工程系教授、博士生导师,研究方向为:混凝土结构,结构抗震减震, 新型结构体系。 建筑结构建筑结构/Building Structure, 2010, 40(2): 1-7. 2 有量值很大、作用时间很短的特点,这就给结构设计带
7、来很大的困难。鉴于偶然荷载与作用 的不可估计性和其作用特征的复杂性,以及结构设计经济性的考虑,通常一般结构设计时对 偶然荷载与作用都不进行计算设计。但一旦出现偶然荷载与作用,则往往因其量值过大而导 致直接遭受偶然荷载与作用部位的结构构件破坏。因此,针对偶然荷载与作用,结构应能满 足以下要求:容许结构局部发生严重破坏和失效,未破坏的剩余结构能有效承受因局部破坏 后发生的荷载和内力重分布,不至于短时间内造成结构的破坏范围迅速扩散而导致大范围、 甚至整个结构的坍塌。如果结构因局部破坏引发连锁反应,导致破坏向结构的其它部分扩散, 最终使整个结构丧失承载力,造成结构的大范围坍塌,这种破坏现象称为连续性倒
8、塌。 自从 1968 年英国 Ronan Point 公寓发生连续性倒塌事件以来,国外对结构连续倒塌问题 已经进行了三十余年的研究,其间经历了 1995 年美国 Alfred P Murrah 联邦政府办公楼倒塌、 2001 年世贸双塔倒塌等多起重大事故。在我国,结构发生倒塌的事故也常有发生,如 1990 年发生在辽宁盘锦的由于燃气爆炸导致主体结构倒塌的事故1。 工程经验及研究表明,通过加强结构的整体性、连续性和增加结构冗余度,可以有效地 改善结构抗连续倒塌能力,英美等国的混凝土结构设计规范中均有这方面的详细规定23。 美 国已编制了针对防结构连续倒塌的设计规程和指南45,提出了一些具体措施和
9、设计方法。 本 文基于国外有关设计规范和标准中关于混凝土结构防连续性倒塌有关规定的分析研究,提出 了我国混凝土结构防连续性倒塌的设计建议。 2、中国规范关于防连续倒塌的规定、中国规范关于防连续倒塌的规定 我国混凝土结构设计规范 GB50010200263.1.6 条规定: “结构应具有整体稳定性, 结构的局部破坏不应导致大范围倒塌” 。该条文的说明进一步指出: “当结构发生局部破坏时, 如不引发大范围倒塌,即认为结构具有整体稳定性” 。结构的延性、荷载传力途径的多重性以 及结构体系的超静定性,均能加强结构的整体稳定性。设置竖直方向和水平方向通长的钢筋 系杆将整个结构连系成一个整体,是提供结构整
10、体稳定性的方法之一。另一方面,按特定的 局部破坏状态和荷载组合进行设计,也是保证结构整体稳定性的措施之一。当偶然事件产生 特大的荷载时, 要求按荷载效应的偶然组合进行设计 (规范 3.2.3 条) 以保持结构的完整无缺, 往往经济上代价太高,有时甚至是不现实。此时,可采用“允许局部爆炸或撞击引起结构发 生局部破坏,但整个结构不发生连续倒塌的原则进行设计。 ” 该规定仅给出了结构防连续性倒塌的设计目标和有关概念设计原则,尽管对设计人员有 一定指导作用,但因未给出具体的定量设计方法,实际操作性差。 3、国外规范和规程关于结构整体性的规定和建议、国外规范和规程关于结构整体性的规定和建议 3.1 美国
11、美国 美国国家标准学会(ANSI)对结构的整体性的定义是7:结构作为整体抵抗局部破坏而 不发生大范围坍塌的能力。这实际上描述了结构作为整体抵抗连续倒塌能力的重要特征,也 建筑结构建筑结构/Building Structure, 2010, 40(2): 1-7. 3 即结构抗连续倒塌设计的着眼点不是某一具体构件,而是结构整体,因此需考虑结构构件之 间的相互关系。 美国 ACI318-02 规范3也没有提供抗连续倒塌设计方法,但给出了保证结构整体性和延 性所应采取的措施。ACI 318-02 规范 7.13 节指出: “工程经验表明适当改进配筋构造可显著 增强结构的整体牢固性” 。因此 ACI3
12、18-02 规范要求,构件配筋和构件连接构造应有效保证结 构构件之间的拉结连接,改善结构的整体性,具体包括:钢筋在支座处应连续贯通;钢筋搭 接的位置和要求;钢筋端部弯钩的要求等。对预制装配结构,ACI 318-02 规范 16.5 节指出: “应采用纵向、横向和竖向拉结,禁止使用仅依靠自重的摩擦连接” 。 1968年英国Ronan Point公寓垮塌事件后, ASCE标准7的前身1972版ANSI标准78A58.1 中的 1.3.1 条首次引入了关于防止由于严重超载导致局部破坏引发的结构连续倒塌的规定。 1982 版的 ANSI 标准 A58.1 第 1.3 节定性的描述了结构整体性,要求对结
13、构进行合理设计, 使其在局部范围内主要承重构件失效后仍能保证荷载的有效传递,并推荐“直接设计法”和 “间接设计法” 。直接设计法包括多荷载传递路径设计和局部加强设计;间接设计法主要是通 过结构构件的最小承载力要求、连续性要求和延性的规定,来间接增强结构抗连续倒塌的能 力。该标准还给出了诸如结构的合理布置、设置内承重墙、楼板的多荷载传递方向、楼板和 梁的悬链线作用、墙的横向承载能力等建议。2005 版 ASCE 标准 7 则包含了更多的关于防连 续倒塌研究的最新进展和增强结构整体性的具体规定9,主要是要求结构构件必须具备足够 的连续性、冗余承载力和耗能能力(延性),能够将初始局部破坏区域的荷载有
14、效传递到能够 承担这些冗余荷载的周边结构上,从而提高整体结构系统的稳定性。具体实施方法包括直接 设计法和间接设计法。 直接设计法包括:(1)拆除构件法,结构在一根结构构件破坏后,具有跨越局部破坏位置 继续承受荷载的能力。(2)局部抗力法,要求结构或部分结构具有足够抵御一定意外荷载或袭 击的能力。 间接设计法通过保证结构的最小强度、连续性和延性来增强结构的抗连续倒塌能力。包 括:(1)合理的结构布置,避免结构的薄弱部位;(2)加强连接构造,保证结构的整体性和连续 性;(3)提高结构的冗余度,保证多荷载传递路径;(4)采用延性材料和延性构造措施,实现延 性破坏;(5)考虑反向荷载作用;(6)利用楼
15、板和梁的悬链线作用;(7)使墙能承受横向荷载;(8) 抗连续倒塌结构分区。 2001 年,美国联邦安全委员会(Interagency Security Committee)78提供了应用于结构 设计的“工程实用指南” ,主要关注结构抗爆能力和其它特殊结构的安全措施。该文件将结构 防连续倒塌设计的目的描述为: “当发生局部破坏时,结构破坏或倒塌的范围不应与初始破坏 的原因不成比例。 ”具体设计可通过在建筑每层周边拆除一个柱来进行,即无论因何种原因导 致柱发生破坏时,应保证结构仍具有足够的荷载传递能力。该文件建议结构构件在反向受力 时应具有相应的延性和承载力,这对于预应力混凝土、预制混凝土结构和砌
16、体结构尤其重要。 建筑结构建筑结构/Building Structure, 2010, 40(2): 1-7. 4 在进行结构连续性倒塌分析时,有效活荷载可取规范设计活荷载的 25,同时容许考虑因冲 击产生的材料应变硬化对材料强度的提高。该文件还给出了通过结构构造措施改善结构连续 性、延性和冗余度的指导性建议。 2003 年,美国公共事务管理局(General Service Administration)编制的联邦政府办公 楼以及大型现代建筑连续倒塌分析和设计指南5,提供了对既有或新建政府办公大楼进行 连续倒塌风险评估的参考流程,并建议了有关设计措施以改善新建大楼抗连续倒塌的能力。 首先,考
17、虑建筑的用途、使用年限、结构材料、结构构造等多方面的因素,提供了一个判断 建筑是否需要进行抗连续倒塌分析的流程。然后,建议了对结构抗倒塌性能有改善作用的构 造措施。对于需要进行连续性倒塌风险评估的结构,建议采用拆除构件法进行分析,分析方 法包括线弹性分析和非线性分析,其中线弹性分析作为一种简化的分析方法,只能应用于 10 层和 10 层以下的规则建筑。对于 10 层以上的建筑和不规则的建筑,则必须采用非线性方法。 指南采用屈强比(DCR)作为线弹性分析的破坏准则,而非线性分析方法则是以塑性铰转动 和位移的延性比作为破坏准则10。为便于判定,指南给出了一般结构的最大延性比和转角限 制。 美国国防
18、设施标准建筑抗连续性倒塌设计4,建议的结构抗连续倒塌的主要目标为: 在不过多增加建造费用和改变结构形式的基础上,减少国防设施由于不可预测事件造成的潜 在连续倒塌风险。3 层及 3 层以上的建筑均需要进行防连续性倒塌设计,但提供的设计方法 只在于控制结构的整体坍塌,而不能保证结构不发生局部破坏。根据建筑的资产价值和使用 情况,分为四个等级:非常低、低、中和高。前两个等级可归类为普通建筑,后两者则为特 殊建筑。对于普通建筑只需采用提高抗连续倒塌能力的构造措施和拉结强度设计,而对于特 殊建筑则需采用拆除构件法(Alternate load path method)进行分析,并酌情考虑动力效应和 非线
19、性。该文件认为,大多数建筑均属于普通建筑范畴,而对混凝土结构和钢结构进行拉结 设计也十分简单,造价也不会过多增加。该文件对拉结强度法和拆除构件法的设计流程进行 了详细规定,还包括一些具体的设计要求,如:构件节点连接应具有足够的承载能力,保证 与该节点连接的较弱构件的承载力能够得到发挥;连接构造应与抗震要求一致,并要求能够 承受反向荷载的作用;破坏范围应控制在拆除构件的相邻楼层,破坏范围应控制在 70m2或 15的楼面面积等。 3.2 加拿大加拿大 加拿大国家建筑规范8对结构整体性的定义是: “结构具有容纳局部破坏的能力而不发生 大范围坍塌” 。 要求结构应具有足够的整体性, 以承受在其生命期内
20、预期可能发生的各种作用, 建议设计人员针对具有约 10-4/年重现概率的严重意外事故给予必要的考虑,并采取相应的措 施。加拿大规范也提供了一些设计方法,包括局部承载力、最小拉结强度、备用荷载路径等 要求。 3.3 欧洲欧洲 建筑结构建筑结构/Building Structure, 2010, 40(2): 1-7. 5 欧洲 Eurocode-1“结构上的作用”规定11,结构必须具有足够的强度以抵御可预测或不 可预测的意外荷载。造成这些意外荷载的原因包括设计和建造过程中的人为失误,在设计考 虑范围之外的意外事件引起的荷载作用,如煤气爆炸、炸弹袭击、车辆撞击、火灾等。结构 由此导致的破坏范围不应
21、与初始破坏不相称。 该规范将结构抗连续倒塌设计分为两个方面:一是采用消除和减轻灾害的设计方法,以 此来降低结构发生局部破坏的可能;另一则是提高结构整体性、冗余度和延性的设计方法, 使结构能将破坏控制在局部范围内而不发生整体倒塌。根据建筑重要性分为四个等级:对于 较低等级的建筑物,无需特别进行抗连续倒塌设计,只需满足一般的整体性要求;对于次重 要等级的建筑,应采用水平向的拉结强度法进行设计;对于重要等级的建筑,需要同时采用 水平向和竖向的拉结强度法以及拆除构件设计法和关键构件设计法进行设计;对于极为重要 的建筑,则应精确分析并给出倒塌风险水平,采用的方法应考虑动力效应、非线性以及结构 和荷载之间
22、的相互作用。 该规范对冲击和爆炸对结构的作用效应进行了详尽的规定,并建议了一些相应的设计措 施,如防撞柱的设置、压力消散构件的布置等。以常见的燃气爆炸为例,爆炸造成的等效静 压力 Pd可通过压力消散构件可承受的最大静压力、压力消散构件的面积和房间的体积共同确 定,关键构件在该等效静压力下不应失去承载力。另外该规范还给出了连续倒塌风险评估的 具体方法和操作步骤。 3.4 英国英国 1968 年 Ronan Point 公寓倒塌事件发生后,英国建筑规范开始考虑针对意外荷载和连续 倒塌的设计。1976 年的建筑规定指出,建筑结构在意外事件下发生倒塌的范围不应与初始破 坏不相称,该要求只针对于 5 层
23、及 5 层以上的建筑。1996 年,英国建筑荷载规范 BS6399 中 关于连续性倒塌的设计方法包括 3 个层次12: (1) 拉结(Tying): 对结构构件和连接提供水平和竖向拉结, 是保证结构连续性的最基本构 造。这些拉结可使结构水平构件在失去竖向支承构件后发挥悬链线作用,提供结构的备用荷 载传递路径。 (2) 跨越(Bridging):在竖向承重构件失效后,结构应能跨越局部破坏范围,并保持良好 的整体承载力和稳定性。这通常通过有选择性的拆除一些不能被拉结的构件,并对剩余结构 进行分析。构件拆除后所导致的破坏范围不应超过相应楼层面积的 15或 70m2。 (3) 关键构件(Key ele
24、ment): 对于关键构件要求针对意外荷载进行设计, 应能承受34kN/m2 的均布压力。 30 余年的工程经验表明,上述 3 方面的规定十分有效,建筑造价增加适中。 英国混凝土结构规范 BS 810013通过提高结构的鲁棒性(Robustness)来改善结构抵御连 续倒塌的能力。规范对鲁棒性的定义是,应合理的设计和布置结构使其在意外荷载下不过于 建筑结构建筑结构/Building Structure, 2010, 40(2): 1-7. 6 脆弱, 即单个构件或者局部范围的破坏不应导致主体结构的坍塌。 BS 8100 的第 3.1.4 节指出, 设计中需要着重检查结构整体性,结构布置不应有明
25、显的弱点,并且具有足够的荷载传递路 径。结构的每层均须能够承受相当于该楼层自重 1.5%的假定水平荷载。与 BS 6399 类似,BS 8100 给出了结构的拉结能力、跨越能力和关键构件设计,并作了具体规定。 4 结构防连续倒塌的设计思想结构防连续倒塌的设计思想 根据各国规范建筑结构防连续倒塌的规定和原则,结构抗连续性倒塌设计的设计思想可 以分为三类: 第一类:对于可能直接遭受意外荷载作用的结构构件,应具有一定承载力。对于可能直 接遭受意外荷载作用的结构构件,如易遭受车辆撞击和人为破坏的结构外围柱、危险源周边 的结构构件、备用荷载传递路径上的构件等,应作为整体结构系统中的关键构件,使其具有 足
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