結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)分析方法探討

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

2、塌問題進(jìn)行考慮。二、主要設(shè)計(jì)分析方法總結(jié)通過對各國規(guī)范的介紹可歸納結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法主要可以分為兩大類：1、針對偶然作用進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)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(jìn)行設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)方法分為間接設(shè)計(jì)與直接設(shè)計(jì)兩大類。間接設(shè)計(jì)一般是指那些概念性的措施；而直接設(shè)計(jì)主要為拆除構(gòu)件法和關(guān)鍵構(gòu)件法。三、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的原則1、抗倒塌設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性防止建筑結(jié)構(gòu)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(cái)產(chǎn)的損失?；诜乐沟顾哪康?人們必然會(huì)想到增加建筑物對于偶然荷載的

3、抵抗能力。然而,對于結(jié)構(gòu)抗力的增加,其導(dǎo)致的直接后果就是造價(jià)的增加。在我國現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范中,采用的是以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。通常結(jié)構(gòu)上的作用,除永久作用以外,都是不確定的隨機(jī)變量,有時(shí)還與時(shí)間參數(shù)、甚至與空間參數(shù)有關(guān)。這種設(shè)計(jì)方法將結(jié)構(gòu)上的作用效應(yīng)作為隨機(jī)變量,采用概率論的方法進(jìn)行描述。對于爆炸這種偶然荷載的作用,從統(tǒng)計(jì)學(xué)上來講,其有兩個(gè)重要特征是我們在研究結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能時(shí)不容忽視的：一是具有極度的不確定性。這種荷載的作用時(shí)間,作用在結(jié)構(gòu)上的位置,作用的大小以及以何種方式作用在結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生極為嚴(yán)重的后果。針對偶然作用進(jìn)行設(shè)計(jì),增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗力,會(huì)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(jìn)行設(shè)計(jì),除了增加結(jié)構(gòu)的抗力以外,更多的是結(jié)構(gòu)造價(jià)的增加。在建筑的造價(jià)與安全風(fēng)險(xiǎn)之間是二者的平衡關(guān)系。結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)程度的降低帶來的是結(jié)構(gòu)造價(jià)的顯著升高；如果過分的強(qiáng)調(diào)降低造價(jià),帶來的是使結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的加大,同時(shí)由于風(fēng)險(xiǎn)的增加,將會(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞損失的加大,從而增大了結(jié)構(gòu)的實(shí)際成本。因此,我們應(yīng)當(dāng)將選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到結(jié)構(gòu)造價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)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(jì)性與安全性的平衡點(diǎn),從而能夠做到既滿足抗倒塌的要求,又能夠?qū)⒃靸r(jià)

5、降到人們可接受的范圍以內(nèi)。2、設(shè)計(jì)與災(zāi)害源不相關(guān)的原則因?yàn)榕既缓奢d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(jì)上來講也是代價(jià)高昂的,這有違于我們前面所講的經(jīng)濟(jì)性原則。對于有求具有很高抗爆能力的軍用設(shè)施,具有明確的設(shè)防要求,通?？梢允孪燃俣ㄆ湓O(shè)防目標(biāo),并針對該目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(shè)定具體的目標(biāo)。因此,我們在討論抗連續(xù)倒塌的原則時(shí),應(yīng)當(dāng)忽略引起連續(xù)倒塌的災(zāi)害源,從而能夠使我們針對特定的結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài),提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。因?yàn)槲覀冞M(jìn)行抗倒塌設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)所處的狀態(tài),然后針對這種特定狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì),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(shè)計(jì)方法1、拆除構(gòu)件設(shè)計(jì)法在現(xiàn)有抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法中，拆除構(gòu)件設(shè)計(jì)方法是最為準(zhǔn)確可靠的設(shè)計(jì)方法。為準(zhǔn)確的確定結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力，拆除構(gòu)件設(shè)計(jì)方法有兩個(gè)關(guān)鍵問題需要解決。（一)結(jié)構(gòu)倒塌過程的復(fù)雜性。結(jié)構(gòu)的倒塌破壞是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性動(dòng)力過程，而結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力計(jì)算代價(jià)高昂且對設(shè)計(jì)人員也有很高要求。故目前較為先進(jìn)的規(guī)范都根據(jù)建筑物的復(fù)雜程度和重要性等級(jí)建議了不同的倒塌過程模擬方法。對于特別復(fù)雜或特別重要的建筑物，需要采取非線性動(dòng)力計(jì)算。而對于其他

7、建筑物，可以采用線彈性靜力、線彈性動(dòng)力、非線性靜力等近似計(jì)算方法。并通過引入動(dòng)力放大系數(shù)、強(qiáng)度折減系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來近似考慮結(jié)構(gòu)倒塌的動(dòng)力過程和彈塑性影響。就我國目前工程實(shí)踐情況而言，宜可參考此類做法。故本文重點(diǎn)研究了拆除構(gòu)件分析的非線性動(dòng)力計(jì)算，并以此分析結(jié)果為依據(jù)，給出線彈性靜力計(jì)算模型和設(shè)計(jì)方法。（二)初始破壞構(gòu)件的不確定性。實(shí)際結(jié)構(gòu)的構(gòu)件眾多，如果再考慮多個(gè)構(gòu)件組合，則構(gòu)件失效的工況數(shù)將非常龐大，對所有工況逐個(gè)進(jìn)行分析實(shí)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(gè)構(gòu)件退出工作，且只考慮易遭受破壞的豎向受力構(gòu)件。同時(shí)允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程具體情況判斷易遭受破壞構(gòu)件的風(fēng)險(xiǎn)，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(gòu)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(jié)強(qiáng)度法在結(jié)構(gòu)中通過現(xiàn)有構(gòu)件和連接進(jìn)行拉結(jié)，可提供結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)。我國規(guī)范GB50010在對第3.1.6條的說明中對拉結(jié)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(jié)的位置和作用可分為內(nèi)部拉結(jié)、周邊拉結(jié)、對墻/柱的拉結(jié)以及豎向拉結(jié)四種類型，對于各種拉結(jié)，要求傳力路徑連續(xù)、直接，并對拉結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。一般來說，結(jié)構(gòu)材料不同，拉結(jié)強(qiáng)度的要求也不一樣。以內(nèi)部拉結(jié)為例，英國規(guī)范中混凝土結(jié)

9、構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部拉結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式中荷載組合系數(shù)有差異，此外混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部拉結(jié)強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)層數(shù)和拉結(jié)跨度有關(guān)，而在鋼結(jié)構(gòu)中則與拉結(jié)的跨度和間距有關(guān)。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(jié)強(qiáng)度規(guī)定，結(jié)構(gòu)在抵御連續(xù)倒塌方面仍然具有明顯的弱點(diǎn)。同時(shí)，如果涉及到復(fù)雜、不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)型而且不過多增加建造費(fèi)用。3、多重荷載路徑法多重荷載路徑法也叫拆除構(gòu)件法，拆除構(gòu)件法通過有選擇性的拆除

10、結(jié)構(gòu)的一個(gè)或幾個(gè)承重構(gòu)件（柱、承重墻），并對剩余結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定初始破壞發(fā)生蔓延的程度，以此評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抵御連續(xù)倒塌的能力。GSA2003中規(guī)定，對于典型結(jié)構(gòu)，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(jìn)行分析，并考慮建筑底層和地下停車場不易采取安全防護(hù)措施，該層還需拆除一根內(nèi)部柱（墻）。對于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者須根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷拆除位置。拆除構(gòu)件法能較真實(shí)的模擬結(jié)構(gòu)的倒塌過程，較好的評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的能力，而且設(shè)計(jì)過程不依賴于意外荷載，適用于任何意外事件下的結(jié)構(gòu)破壞分析。但另一方面，拆除構(gòu)件法設(shè)計(jì)繁瑣，往往需要花費(fèi)較多的時(shí)間和人力物力資源，這無論是對于業(yè)主還是設(shè)計(jì)者而

11、言都是很難接受的。因此，對于重要性較低的建筑，應(yīng)盡量采用簡單易行的方法，而對于重要性較高的建筑則應(yīng)采用復(fù)雜的方法進(jìn)行精確分析。4、關(guān)鍵構(gòu)件法對于無法滿足拆除構(gòu)件法要求（即拆除后可能引發(fā)結(jié)構(gòu)大范圍坍塌）的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵構(gòu)件，使其具有足夠的強(qiáng)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(guān)鍵構(gòu)件在原有荷載組合的基礎(chǔ)上各個(gè)方向應(yīng)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(jì)算得到的壓力值。當(dāng)然，該荷載值總是有可能被超越的。但通過該方法加固對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性有重要影響的構(gòu)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(shè)計(jì)中應(yīng)將這種方法和拆除構(gòu)件法結(jié)合起來，既能有效改善結(jié)構(gòu)抵御連續(xù)倒塌的能力，同時(shí)也能減少建造費(fèi)用，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。五、防止結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的方法結(jié)構(gòu)工程師對結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)是防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的第三條防線，也是最為有效的方法。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力起著決定性的影響。1、采用超靜定結(jié)構(gòu)體系。使結(jié)構(gòu)具備抗連續(xù)倒塌的能力的一個(gè)最基本的要求就是采用超靜定結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)因偶然作用發(fā)生局部破壞時(shí)，超靜定體系可以提供多條傳力路徑，保證剩余結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。另外，構(gòu)件可以在多個(gè)位置上產(chǎn)生塑性鉸，這同時(shí)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(dāng)

13、結(jié)構(gòu)遭受偶然作用時(shí)，構(gòu)件會(huì)因受力過大而進(jìn)入塑性狀態(tài)。所以，在結(jié)構(gòu)主體與節(jié)點(diǎn)處使用延性較好的建筑材料可以明顯提高結(jié)構(gòu)塑性變形能力與內(nèi)力重分布能力。而且，還可以避免結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，為人員逃生與營救爭取寶貴時(shí)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(jié)構(gòu)的影響。4、考慮荷載的反向作用。對于諸如燃?xì)獗ǖ扰既皇录?，在其作用下的?gòu)構(gòu)件很有可能會(huì)陷入沖擊波漩渦，進(jìn)而導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受了和正常設(shè)計(jì)方向相反的荷載。所以，對于受力構(gòu)件，都應(yīng)該考慮偶然事件作用下荷載反向的可能。5、設(shè)置防撞柱，對于底層經(jīng)常會(huì)有車輛來往或者存在停車場的建筑，可以在建筑外圍設(shè)置防撞柱來減小車輛對柱的撞擊影響。6、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度與延性直接影響了結(jié)構(gòu)的承載能力，因此通過構(gòu)造措施來改善構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)是更為有效的一種方法。