結構抗連續(xù)倒塌設計分析方法探討

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上結構抗連續(xù)倒塌設計分析方法探討摘要在結構設計的過程中，保證結構的安全是首要考慮的問題，在設計過程中能防止結構發(fā)生連續(xù)倒塌對安全起到重要保障。拆除構件設計法、拉結度法、多重荷載路徑法是我們在結構設計過程中常用的方法，本文就結構抗連續(xù)倒塌設計分析方法進行探討。關鍵詞結構；連續(xù)性；倒塌；設計方法一、前言在我們的日常生活中重大的倒塌事故時有發(fā)生，一旦發(fā)生倒塌事故必然會對我們?nèi)粘Ｉ詈腿藗兊纳敭a(chǎn)造成影響，社會影響也十分的惡劣。因此，我們在進行結構設計的過程中首先要保證結構的安全性，在發(fā)生地震、海嘯等自然災害的情況下保證結構不發(fā)生連續(xù)性倒塌，這就需要我們從設計上對結構連續(xù)性倒

2、塌問題進行考慮。二、主要設計分析方法總結通過對各國規(guī)范的介紹可歸納結構的抗連續(xù)倒塌設計方法主要可以分為兩大類：1、針對偶然作用進行設計，保證結構或構件在偶然作用下仍然具備一定的承載能力；2、針對局部被破壞進行設計，使結構具備多道傳力路徑，允許一定程度的破壞但不發(fā)生坍塌。針對局部破壞所采用的設計方法分為間接設計與直接設計兩大類。間接設計一般是指那些概念性的措施；而直接設計主要為拆除構件法和關鍵構件法。三、鋼筋混凝土結構抗連續(xù)倒塌設計的原則1、抗倒塌設計的經(jīng)濟性防止建筑結構發(fā)生連續(xù)倒塌的最根本目的是為了減少由于倒塌而引起的人員和財產(chǎn)的損失?；诜乐沟顾哪康?人們必然會想到增加建筑物對于偶然荷載的

3、抵抗能力。然而,對于結構抗力的增加,其導致的直接后果就是造價的增加。在我國現(xiàn)行的設計規(guī)范中,采用的是以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計法。通常結構上的作用,除永久作用以外,都是不確定的隨機變量,有時還與時間參數(shù)、甚至與空間參數(shù)有關。這種設計方法將結構上的作用效應作為隨機變量,采用概率論的方法進行描述。對于爆炸這種偶然荷載的作用,從統(tǒng)計學上來講,其有兩個重要特征是我們在研究結構的抗倒塌性能時不容忽視的：一是具有極度的不確定性。這種荷載的作用時間,作用在結構上的位置,作用的大小以及以何種方式作用在結構上都難以確定。二是這種作用從概率上來講屬于小概率事件,在現(xiàn)行的設計規(guī)范中不考慮這種小概率事件。與之相矛

4、盾的是,一旦小概率發(fā)生,就會產(chǎn)生極為嚴重的后果。針對偶然作用進行設計,增強結構的抗力,會對防止連續(xù)倒塌發(fā)生起到一定效果。如果按現(xiàn)有的可靠度水平針對偶然荷載進行設計,除了增加結構的抗力以外,更多的是結構造價的增加。在建筑的造價與安全風險之間是二者的平衡關系。結構危險程度的降低帶來的是結構造價的顯著升高；如果過分的強調(diào)降低造價,帶來的是使結構風險的加大,同時由于風險的增加,將會造成結構破壞損失的加大,從而增大了結構的實際成本。因此,我們應當將選擇適當?shù)脑O計參數(shù)達到結構造價與風險的平衡。從防止連續(xù)倒塌的角度來說,我們要做的就是,找到經(jīng)濟性與安全性的平衡點,從而能夠做到既滿足抗倒塌的要求,又能夠?qū)⒃靸r

5、降到人們可接受的范圍以內(nèi)。2、設計與災害源不相關的原則因為偶然荷載的作用是很難確定的,針對偶然荷載的作用,讓建筑物提供特定的抗力,從而使其能夠提供抗倒塌能力,從經(jīng)濟上來講也是代價高昂的,這有違于我們前面所講的經(jīng)濟性原則。對于有求具有很高抗爆能力的軍用設施,具有明確的設防要求,通?？梢允孪燃俣ㄆ湓O防目標,并針對該目標進行設計。但對于民用建筑來講,其可能遭受的偶然荷載的作用是不明確的,我們無法設定具體的目標。因此,我們在討論抗連續(xù)倒塌的原則時,應當忽略引起連續(xù)倒塌的災害源,從而能夠使我們針對特定的結構破壞狀態(tài),提出相應的設計方法。因為我們進行抗倒塌設計的目的是防止連續(xù)倒塌的發(fā)生,而不是要求建筑具有

6、抵抗特定荷載的能力,所以只要我們提出在局部破壞以后結構所處的狀態(tài),然后針對這種特定狀態(tài)進行設計,而不用事先知道偶然荷載的大小以及發(fā)生的概率等。四、主要設計方法1、拆除構件設計法在現(xiàn)有抗連續(xù)倒塌設計方法中，拆除構件設計方法是最為準確可靠的設計方法。為準確的確定結構的抗連續(xù)倒塌能力，拆除構件設計方法有兩個關鍵問題需要解決。（一)結構倒塌過程的復雜性。結構的倒塌破壞是一個非常復雜的非線性動力過程，而結構的非線性動力計算代價高昂且對設計人員也有很高要求。故目前較為先進的規(guī)范都根據(jù)建筑物的復雜程度和重要性等級建議了不同的倒塌過程模擬方法。對于特別復雜或特別重要的建筑物，需要采取非線性動力計算。而對于其他

7、建筑物，可以采用線彈性靜力、線彈性動力、非線性靜力等近似計算方法。并通過引入動力放大系數(shù)、強度折減系數(shù)等經(jīng)驗系數(shù)來近似考慮結構倒塌的動力過程和彈塑性影響。就我國目前工程實踐情況而言，宜可參考此類做法。故本文重點研究了拆除構件分析的非線性動力計算，并以此分析結果為依據(jù)，給出線彈性靜力計算模型和設計方法。（二)初始破壞構件的不確定性。實際結構的構件眾多，如果再考慮多個構件組合，則構件失效的工況數(shù)將非常龐大，對所有工況逐個進行分析實際上難以承受。目前各國規(guī)范通行方法是，每次分析只考慮一個構件退出工作，且只考慮易遭受破壞的豎向受力構件。同時允許設計人員根據(jù)工程具體情況判斷易遭受破壞構件的風險，增加分析

8、工況。在沒有更充分依據(jù)的情況下，本文也參照此做法，按照國外規(guī)范通行的拆除構件順序，從頂層到底層，依次拆除每層的長邊短邊中柱和角柱以及底層的中間柱。2、拉結強度法在結構中通過現(xiàn)有構件和連接進行拉結，可提供結構的整體牢固性以及荷載的多傳遞路徑。有人將該方法歸為一種量化的概念設計。我國規(guī)范GB50010在對第3.1.6條的說明中對拉結的概念和作用有一些簡單的描述，但沒有具體規(guī)定。按照拉結的位置和作用可分為內(nèi)部拉結、周邊拉結、對墻/柱的拉結以及豎向拉結四種類型，對于各種拉結，要求傳力路徑連續(xù)、直接，并對拉結強度進行驗算。一般來說，結構材料不同，拉結強度的要求也不一樣。以內(nèi)部拉結為例，英國規(guī)范中混凝土結

9、構和鋼結構的內(nèi)部拉結強度計算公式中荷載組合系數(shù)有差異，此外混凝土結構的內(nèi)部拉結強度與結構層數(shù)和拉結跨度有關，而在鋼結構中則與拉結的跨度和間距有關。根據(jù)最近AbruzzoJohn等人的研究，即使?jié)M足現(xiàn)行美國混凝土規(guī)范ACI318-02中的整體性要求以及DoD2005中的拉結強度規(guī)定，結構在抵御連續(xù)倒塌方面仍然具有明顯的弱點。同時，如果涉及到復雜、不規(guī)則結構的設計，設計者將很難有效的理解并采用這一方法。盡管如此，該方法能一定程度上保證結構在連續(xù)性和整體性上的基本要求，而且比較簡單，不顯著改變結構構型而且不過多增加建造費用。3、多重荷載路徑法多重荷載路徑法也叫拆除構件法，拆除構件法通過有選擇性的拆除

10、結構的一個或幾個承重構件（柱、承重墻），并對剩余結構進行分析，確定初始破壞發(fā)生蔓延的程度，以此評價結構抵御連續(xù)倒塌的能力。GSA2003中規(guī)定，對于典型結構，建筑每層外圍的長邊中柱（墻）、短邊中柱（墻）及角柱（墻）均須一一拆除進行分析，并考慮建筑底層和地下停車場不易采取安全防護措施，該層還需拆除一根內(nèi)部柱（墻）。對于不規(guī)則結構，設計者須根據(jù)工程經(jīng)驗判斷拆除位置。拆除構件法能較真實的模擬結構的倒塌過程，較好的評價結構抗連續(xù)倒塌的能力，而且設計過程不依賴于意外荷載，適用于任何意外事件下的結構破壞分析。但另一方面，拆除構件法設計繁瑣，往往需要花費較多的時間和人力物力資源，這無論是對于業(yè)主還是設計者而

11、言都是很難接受的。因此，對于重要性較低的建筑，應盡量采用簡單易行的方法，而對于重要性較高的建筑則應采用復雜的方法進行精確分析。4、關鍵構件法對于無法滿足拆除構件法要求（即拆除后可能引發(fā)結構大范圍坍塌）的結構構件，應設計成為關鍵構件，使其具有足夠的強度能一定程度上抵御意外荷載作用。在英國及歐洲規(guī)范中，關鍵構件在原有荷載組合的基礎上各個方向應能承受額外的234KN/m的均布荷載，該值是通過參考RonanPoint公寓承重墻的失效荷載得到的，而并不是針對爆炸計算得到的壓力值。當然，該荷載值總是有可能被超越的。但通過該方法加固對結構整體穩(wěn)定性有重要影響的構件，能一定程度上減輕局部破壞發(fā)生的程度從而降低

12、連續(xù)倒塌發(fā)生的可能。設計中應將這種方法和拆除構件法結合起來，既能有效改善結構抵御連續(xù)倒塌的能力，同時也能減少建造費用，取得良好的經(jīng)濟效益。五、防止結構發(fā)生連續(xù)倒塌的方法結構工程師對結構的抗連續(xù)倒塌設計是防止結構連續(xù)倒塌的第三條防線，也是最為有效的方法。合理的結構設計對于結構的抗連續(xù)倒塌能力起著決定性的影響。1、采用超靜定結構體系。使結構具備抗連續(xù)倒塌的能力的一個最基本的要求就是采用超靜定結構。結構因偶然作用發(fā)生局部破壞時，超靜定體系可以提供多條傳力路徑，保證剩余結構的整體穩(wěn)定性。另外，構件可以在多個位置上產(chǎn)生塑性鉸，這同時也提高了備用荷載傳遞路徑形成的可能性。2、采用具有良好延性的建筑材料。當

13、結構遭受偶然作用時，構件會因受力過大而進入塑性狀態(tài)。所以，在結構主體與節(jié)點處使用延性較好的建筑材料可以明顯提高結構塑性變形能力與內(nèi)力重分布能力。而且，還可以避免結構發(fā)生脆性破壞，為人員逃生與營救爭取寶貴時間。3、采用耗能支撐。偶然作用常常伴隨著沖擊作用，因此，在條件允許下，可選用耗能支撐鉸可以有效的減小沖擊荷載對結構的影響。4、考慮荷載的反向作用。對于諸如燃氣爆炸等偶然事件，在其作用下的構構件很有可能會陷入沖擊波漩渦，進而導致這些結構構件承受了和正常設計方向相反的荷載。所以，對于受力構件，都應該考慮偶然事件作用下荷載反向的可能。5、設置防撞柱，對于底層經(jīng)常會有車輛來往或者存在停車場的建筑，可以在建筑外圍設置防撞柱來減小車輛對柱的撞擊影響。6、節(jié)點設計。節(jié)點的強度與延性直接影響了結構的承載能力，因此通過構造措施來改善構件之間的連接節(jié)點是更為有效的一種方法。