莫斯科貿(mào)易中心工程防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)VIP

1、結(jié)構(gòu) 2007.12編號(hào) zby20莫斯科中國(guó)貿(mào)易中心工程防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)寅（中國(guó)抗倒塌問(wèn)題近年來(lái)在歐美北京100044）得到廣泛關(guān)注。結(jié)合莫斯科中國(guó)貿(mào)易中心工程的防止結(jié)構(gòu)連續(xù)【提要】倒塌設(shè)計(jì)，比較了國(guó)外一些相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)之間的相互關(guān)系，提出滿(mǎn)足俄羅斯規(guī)范要求的防止連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并將其與正常情況下的結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行比較，找出其中帶規(guī)律性的問(wèn)題?！尽?結(jié)構(gòu)的整體堅(jiān)固性 構(gòu)件的需供比 轉(zhuǎn)變途徑法 局部抗力增強(qiáng)法Design of the China Trade Center Building in Moscow to Resist Progressive Collapse/Zhu Bi

2、ngyin, Hu Bei，Hu Chunyang （China Architecture Design & Research Group,100044, China）Abstract: In recent years, the methodology of progressive collapse prevention for building was widely concernedin Europe and United States engineering commu. The China trade center building in Moscow is 180m at i

3、tshighest point, according to Russian codes of building to resist progressive collapse, thl buildings of No2 plotand No3 plot are need to design for avoiding progressive collapse. A series key design problems of the buildingsare introduced, including fail ms of structural members, design methods, ke

4、y-points of calculation, the basicdemands of USA codes and economic analysis.Keywords: structural robustness； demand and capacity ratio； alternate path method；improving the specific local method1工程概況莫斯科中國(guó)貿(mào)易中心工程，位于俄羅斯莫斯科市（抗震設(shè)防烈度與我國(guó)6度相當(dāng)），橫跨匹克大街，緊鄰四環(huán)路和城市輕軌及地鐵6號(hào)線(xiàn)的BOTANICHESKY SAD站，是集辦公、商業(yè)、公寓及中國(guó)園林為一體的綜合群

5、，總面積20萬(wàn)m2。按功能和區(qū)域?qū)⒖偲矫娴貕K劃分為三個(gè)地塊，其中2#地高度180m，鋼筋混凝土框架-筒結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)平面示意見(jiàn)圖1）；3#地塊塊2層、地上40層，2層，地上22層，措施。高度87m，鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。工程按俄羅斯規(guī)范要求需采取防止連續(xù)倒塌（a）轉(zhuǎn)換層頂平面（b）轉(zhuǎn)換層以上平面圖1 2#地塔樓結(jié)構(gòu)布置平面圖2國(guó)外防止連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的要求911以來(lái)，緊急情況（如：、風(fēng)災(zāi)、撞擊和高溫等）下結(jié)構(gòu)的防止連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)正受到更結(jié)構(gòu) 2007.12編號(hào) zby20多的關(guān)注，有關(guān)相繼制定有相關(guān)的。2.1 俄羅斯防止連續(xù)倒塌措施的相關(guān)規(guī)定1（1）高度超過(guò) 75m 的，均應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的防止連續(xù)倒塌

6、驗(yàn)算。驗(yàn)算的目的是為了防止在自然緊急狀態(tài)（源自氣候條件或地質(zhì)變化等）或人為緊急狀態(tài)（內(nèi)部或外部由于火災(zāi)或其他性情況發(fā)生）下，一旦部分承重結(jié)構(gòu)受到破壞后，破壞會(huì)逐步擴(kuò)大，使發(fā)生連續(xù)倒塌。（2）物防止連續(xù)倒塌的整體堅(jiān)固性（Robustness），應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算確定。（3）當(dāng)發(fā)生局部破壞時(shí)，的整體堅(jiān)固性計(jì)算應(yīng)考慮相應(yīng)的荷載組合（含荷載和活荷載等）要求。局部破壞應(yīng)滿(mǎn)足下列要求：破壞發(fā)生在墻肢上，且從兩組墻的交接點(diǎn)到最近的洞口或下一個(gè)交接點(diǎn)的距離小于 10m時(shí)；局部破壞發(fā)生在柱上或與同層墻體相連的柱上；局部破壞發(fā)生在同一層樓板上；以上局部破壞的受荷面積均不應(yīng)超過(guò) 80m2。對(duì)應(yīng)確定?？惯B續(xù)倒塌整體堅(jiān)固性

7、的評(píng)估，應(yīng)根據(jù)上述局部破壞的最大效（4）對(duì)于緊急狀態(tài)，需根據(jù)規(guī)范要求驗(yàn)算承載能力極限狀態(tài)，不要求驗(yàn)算裂縫、變形等正常使用極限狀態(tài)?？沽τ?jì)算須采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值。（5）效應(yīng)計(jì)算應(yīng)使用空間計(jì)算模型，將所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件考慮在內(nèi)，模擬生損害時(shí)荷載的重分布及破壞情況。投入使用后局部承重構(gòu)件發(fā)（6）防止發(fā)生累計(jì)損害的主要措施有：結(jié)構(gòu)應(yīng)有較多的冗余度，以保障柱、橫梁、隔板、節(jié)點(diǎn)的承重能力；連續(xù)加強(qiáng)配筋；提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的延性。在范圍內(nèi)提高結(jié)構(gòu)的延性可有效結(jié)構(gòu)破壞的繼續(xù)擴(kuò)大，即當(dāng)某些承重構(gòu)件發(fā)生破壞時(shí)，可以有較大的變形而不至于立刻失去所有的承載能力。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加配筋或采用其他延性材料，加大連接件強(qiáng)度及韌度。應(yīng)

8、盡量采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用非承重預(yù)制構(gòu)件時(shí)，應(yīng)采用與承重結(jié)構(gòu)連接牢固性好、可靠性高的預(yù)制板材。樓板與柱、梁、隔板的相連處應(yīng)能保證上層樓板坍塌時(shí)支撐住上層樓板，而不掉到下層樓內(nèi)。連接處的承重能力應(yīng)為半個(gè)跨度的樓板與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重量（D+0.25L）。2.2 GSA導(dǎo)則2美國(guó)管理局（General Service Adminstration ）于2000年制訂了連續(xù)倒塌的分析與設(shè)計(jì)導(dǎo)則（GSA Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines）。（1）要求多層房屋的設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行以下突發(fā)的檢驗(yàn)。即多層房屋在首層去掉一個(gè)主要支承后，不應(yīng)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的倒塌

9、。這個(gè)主要支承包括：地面以上一層房屋短邊或長(zhǎng)邊中部的一根柱或一段9m的承重外墻；地上一層任何一根角柱或沿房屋轉(zhuǎn)角各4.5m的兩段外承重墻；外墻。車(chē)庫(kù)中一根柱或一段9m的承重（2）對(duì)延性差的結(jié)構(gòu)，考慮動(dòng)力系數(shù)2，按2（D+0.25L）進(jìn)行驗(yàn)算（其中：D為活荷載標(biāo)準(zhǔn)值）。荷載標(biāo)準(zhǔn)值，L為（3）強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有更好的堅(jiān)固性，以減少連續(xù)倒塌的可能性。結(jié)構(gòu)應(yīng)具有多贅余度和多傳力途徑（包括豎向荷載及承載力）；構(gòu)件應(yīng)具有良好的延性，保證變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)彈性極限時(shí)還能有一定的承載能力；要考慮相鄰構(gòu)件的破壞，應(yīng)有足夠的反向受力承載力；構(gòu)件應(yīng)具有足夠受剪承載力，保證不產(chǎn)生剪切破壞。規(guī)定22.3 NYC美國(guó)NY

10、C第18章提出兩種防止連續(xù)倒塌的途徑。1.轉(zhuǎn)變途徑法（Alternate Path Method）。即當(dāng)結(jié)構(gòu)失去某一關(guān)鍵構(gòu)件時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)變受力途徑仍能承受相應(yīng)的荷載組合（即能確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，而不發(fā)生連續(xù)倒塌）。這里的關(guān)鍵構(gòu)件指：一個(gè)單獨(dú)樓板或兩個(gè)相鄰墻段形成的墻角，一根梁及其從屬范圍的樓板，一根柱或其他影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。計(jì)算要考慮的荷載組合為1.0D+0.25L和1.0D+0.25L+0.2W，其中：W為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。結(jié)構(gòu) 2007.12編號(hào) zby202.局部抗力增強(qiáng)法（Specific LocalMethod）。即對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能破壞的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，構(gòu)件的需供比DCR（Demand-Cap

11、acity Ratio）2，并采用增加構(gòu)件承載力的方法，確保在緊急情況下構(gòu)件具有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。QDCR=UD 2（1）QCE式中： QUD 為在緊急情況下按彈性靜力分析求得的構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)承受的內(nèi)力； QCE 為構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)預(yù)期的極限承載能力，計(jì)算QCE 時(shí)，考慮瞬時(shí)作用對(duì)材料強(qiáng)度的提高系數(shù)（鋼材取1.05，鋼筋混凝土取1.25）。此時(shí)荷載組合取2（D+0.5L+0.2W）。構(gòu)件的荷載總值（2（D+0.5L）不應(yīng)小于36 kN / m2 。2.4 DOD導(dǎo)則2美國(guó)國(guó)防部（DOD）于2001年了防連續(xù)倒塌暫行設(shè)計(jì)導(dǎo)則。（1）要求進(jìn)行去掉一個(gè)主要承重構(gòu)件或一個(gè)主要抗力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)反應(yīng)分

12、析。對(duì)于一般住宅類(lèi)，去掉的限于房屋周邊的主要承重構(gòu)件；考慮有可能在房屋內(nèi)部發(fā)生主要承重構(gòu)件。時(shí)，要去掉的構(gòu)件包括外部及內(nèi)部的（2）對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，去掉任一層的一根柱，則與該柱相接的所有填充墻和被去掉；去掉任一層的一根梁，則被去掉的樓蓋。的填充墻均被去掉。對(duì)于無(wú)梁樓蓋體系，去掉整跨樓蓋也就是去掉四根柱所包圍（3）對(duì)于承重墻結(jié)構(gòu)，去掉長(zhǎng)度為兩倍墻高（墻高定義為水平方向支承之間的豎向距離）的一段墻，且該墻長(zhǎng)度不應(yīng)小于伸縮縫或縫之間的距離。在轉(zhuǎn)角處沿兩個(gè)方向的長(zhǎng)度均應(yīng)滿(mǎn)足以上要求。若墻有與其相連的豎向承重構(gòu)件，則去掉的長(zhǎng)度可取豎向承重構(gòu)件之間的實(shí)際距離。當(dāng)采用無(wú)梁樓蓋時(shí)，去掉樓蓋的面積，其寬度為被去掉墻

13、的長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度為從去掉墻段到相鄰內(nèi)承重墻的距離。（4）對(duì)支撐-框架結(jié)構(gòu)，去掉一根柱或一根梁類(lèi)似框架結(jié)構(gòu)。沿柱列設(shè)置贅余的支撐，當(dāng)在某跨失去一根柱或?qū)е路课萜溆嗖糠值牡顾?。?）對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，參照以上體系，適當(dāng)?shù)厝サ魤?、柱?防止連續(xù)倒塌的分析方法2板進(jìn)行分析。DOD導(dǎo)則規(guī)定，防止連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)計(jì)算可采用二維或三維靜力、線(xiàn)彈性或非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)分析。采用線(xiàn)彈性方法時(shí)，如構(gòu)件的受彎承載力超限，則認(rèn)為該處出鉸，放松其轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，出鉸處彎矩保持不變，修正結(jié)構(gòu)剛度重新進(jìn)行計(jì)算分析；如構(gòu)件的受剪承載力超限，即認(rèn)為該構(gòu)件失效，失效構(gòu)件在新的模型中去掉。當(dāng)某一失效構(gòu)件去掉后，與該構(gòu)件有件，其他荷載如沖擊力等還應(yīng)

14、分配到下一層構(gòu)件中。荷載或活荷載必須重新分配給同一層的其他構(gòu)非線(xiàn)性分析只需要一次完成，當(dāng)超過(guò)構(gòu)件的受剪承載力或超過(guò)了構(gòu)件的變形極限時(shí)，認(rèn)為構(gòu)件失效， 在繼續(xù)分析之前將失效構(gòu)件從模型中去掉。4 莫斯科中國(guó)貿(mào)易中心防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)4.1 工程防止連續(xù)倒塌的基本要求參考上述文獻(xiàn)，對(duì)工程設(shè)計(jì)提出以下要求：1）采用抗連續(xù)倒塌性能比較好的鋼筋混凝土框架-剪力墻（或框架-筒）結(jié)構(gòu)體系；2）采取周邊支承的鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板、樓板鋼筋采用焊接及其他有效錨固、加強(qiáng)梁柱節(jié)點(diǎn)連接等措施，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，具有很好的懸掛作用，抗連續(xù)倒塌性能好；3）對(duì)不利于抗連續(xù)倒塌的轉(zhuǎn)換桁架及其支承柱采用堅(jiān)固性較強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)和鋼骨混凝土結(jié)

15、構(gòu)，對(duì)角柱采取加強(qiáng)措施，確保當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，具有很好的抗連續(xù)倒塌作用；4）采用ETABS程序進(jìn)行滿(mǎn)足俄羅斯規(guī)范要求的防連續(xù)倒塌計(jì)算；5）構(gòu)件的需供比DCR2 ；6）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋（或鋼構(gòu)件的截面），取正常情況下（1.2D+1.4L+0.2W或1.35D+0.98W）與緊急情況下防連續(xù)倒塌計(jì)算的較大值；7）工程設(shè)計(jì)不考慮由于氣候條件或地質(zhì)變化而引起的自然緊急狀態(tài)。結(jié)構(gòu) 2007.12編號(hào) zby204.2 防倒塌計(jì)算方法1. 對(duì)于角柱、2#地6層以下鋼轉(zhuǎn)換桁架及支承轉(zhuǎn)換桁架的8根大柱等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可局部破壞的重要部位和構(gòu)件，采用局部抗力增強(qiáng)法進(jìn)行防倒塌計(jì)算。要點(diǎn)如下：1） 特殊情況下的荷載組合

16、，取2 （D+0.5L+0.2W）；2）構(gòu)件的豎向總荷載不小于36 kN / m2 ；3）材料強(qiáng)度仍采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度；4）考慮梁柱節(jié)點(diǎn)影響，可取支座邊緣截面進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算；5）柱或SRC柱的型鋼，按承受框架角柱（或底層大柱）的全部重力荷載（1.0D）計(jì)算（考慮材料強(qiáng)度的提高系數(shù)，鋼筋、鋼板及混凝土均取1.1）。2. 對(duì)于采用局部抗力增強(qiáng)法進(jìn)行設(shè)計(jì)以外的其他所有區(qū)域和構(gòu)件，采用轉(zhuǎn)變途徑法進(jìn)行防倒塌計(jì)算。要點(diǎn)如下：1)荷載組合按（D+0.5L+0.2W）考慮，不考慮作用；2)采用荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合（含荷載和活荷載，不考慮超載系數(shù)）；3)抗力計(jì)算中，材料強(qiáng)度取用標(biāo)準(zhǔn)值；4)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用空間計(jì)算模型的

17、線(xiàn)彈性分析方法；5)考慮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的塑性?xún)?nèi)力重分布；6)只進(jìn)行結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力計(jì)算，不考慮撓度及裂縫問(wèn)題；7)破壞位置取可能破壞的平面中的最下面樓層（即豎向荷載最大的樓層）；8)考慮梁柱節(jié)點(diǎn)影響，取支座邊緣截面進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算；9）防倒塌計(jì)算中需要考慮的結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件破壞情況見(jiàn)表1。結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件破壞的情況表14.3 轉(zhuǎn)變途徑法的應(yīng)用實(shí)例以2#地塔樓為例（見(jiàn)圖1），說(shuō)明考慮防倒塌設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)。1樓板失效樓板失效時(shí)，考慮樓板的懸掛作用，樓板的通長(zhǎng)配筋應(yīng)滿(mǎn)足：Asb 0.5P / f y（2）式中 P為陰影區(qū)樓板總荷載，按（D+0.5L）計(jì)算； f y 為鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。2周邊框架

18、柱（柱B）失效在正常情況下，樓板為周邊支承的雙向板。在緊急情況下，由于柱B的失效，導(dǎo)致相應(yīng)梁支承的，樓板的傳力途徑發(fā)生改變，樓板變成由墻A、梁A三邊支承，在陰影范圍內(nèi)（影響面積80m2）樓板變?yōu)槎踢呏С械膯蜗虬澹▓D2）。防倒塌計(jì)算應(yīng)重點(diǎn)懸掛作用等。結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定、墻A、柱A、梁A的承載能力，及樓板的（1）考慮柱B失效時(shí)，框架梁A的梁端（與柱A相交處）出現(xiàn)塑性鉸但不能失效（不發(fā)生剪切破壞），梁端截面及箍筋配置應(yīng)滿(mǎn)足抗剪承載力要求，同時(shí)梁端截面滿(mǎn)足錨固長(zhǎng)度的全部縱筋應(yīng)滿(mǎn)足下式要求：V 0.75f y As（3）式中 V為考慮柱B失效由相應(yīng)荷載（D+0.5L+0.2W）產(chǎn)生的梁端剪力。（2）框架梁A

19、的跨中設(shè)計(jì)彎矩，均不得小于按情況（按緊急情況計(jì)算）計(jì)算彎矩的80%。（3） 鋼筋混凝土剪力墻、框架柱、框架梁、樓板等的配筋，取正常情況下與緊急情況下防連續(xù)倒塌計(jì)算的較大值。（4） 考慮樓板的懸掛作用同上。序號(hào)破壞構(gòu)件局部破壞情況局部破壞面積1同一樓層兩片相交的剪力墻有洞口從墻交接處到離最近的洞口邊且墻長(zhǎng)10m80m2無(wú)洞口從墻交接處至下一墻肢相交處2柱柱子破壞，與之相連的梁失效，失去相應(yīng)的支承作用3梁梁破壞，失去相應(yīng)的支承作用4樓板樓板的破壞，考慮樓板的懸掛作用結(jié)構(gòu) 2007.12編號(hào) zby20圖2（柱B）失效后的樓板傳力途徑3中梁（梁B）失效在緊急情況下，由于梁B的失效，導(dǎo)致相應(yīng)樓板支承的

20、墻A、梁A和梁C支承的大雙向板（圖3）。防倒塌計(jì)算應(yīng)重點(diǎn)梁C的承載力，及樓板的懸掛作用等。相關(guān)計(jì)算要求同上。，樓板的傳力途徑發(fā)生改變，樓板變?yōu)橛山Y(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定、墻A、柱A、柱B、梁A、圖3 中梁（梁B）失效后的樓板傳力途徑4.（梁C）失效在緊急情況下，由于梁C的失效，導(dǎo)致相應(yīng)樓板支承的，樓板的傳力途徑發(fā)生改變，樓板變?yōu)橛蓧、梁B和梁C支承的三邊支承板（圖4）。防倒塌計(jì)算應(yīng)重點(diǎn)梁B，及樓板的懸掛作用等。相關(guān)計(jì)算要求同上。結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定、墻A、柱A、柱B、梁A、圖45. 剪力墻失效的計(jì)算參照柱。5 防倒塌設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的比較及結(jié)論（梁C）失效后的樓板傳力途徑緊急情況下與正常情況下相關(guān)構(gòu)件的承載力需求比較見(jiàn)表2。緊急情況下與正常設(shè)計(jì)情況下相關(guān)構(gòu)件的配筋比較表2計(jì)算方法及模型緊急情況下與正常設(shè)計(jì)情況下相關(guān)構(gòu)件的配筋或截面比較轉(zhuǎn)變途徑法（柱B）失效梁 A配筋基本不增加柱 A柱穩(wěn)定有保障，配筋沒(méi)有增加樓板不起作用結(jié)構(gòu) 2007.12編號(hào) zby206 結(jié)論（1）對(duì)一般結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用轉(zhuǎn)變途徑法進(jìn)行防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)是可行的，就該工程而言，考慮各種局部破壞情況時(shí)，基本不增加費(fèi)用（增加的僅是構(gòu)造設(shè)計(jì)費(fèi)用）；對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能破壞的特殊結(jié)