关于结构抗连续倒塌设计方法及国外规范的探讨

韩 啸 李成华

(西安工业大学建筑工程学院，陕西 西安 710021)



关于结构抗连续倒塌设计方法及国外规范的探讨

韩 啸 李成华

(西安工业大学建筑工程学院，陕西 西安 710021)

介绍了连续倒塌的概念，从概念设计法、拉结构件法、拆除构件法、关键构件法四方面，分析了建筑结构抗连续倒塌的设计方法，并探讨了国外抗连续倒塌的规范要求，以供参考借鉴。

结构，连续倒塌，概念设计法，拉结构件法

0 引言

以1968年发生在英国的Ronan Point倒塌事件为标志，结构的抗连续倒塌设计越来越多的得到重视，一些国家开始建立结构抗连续倒塌的规范并给出具体的一些设计方法。随后美国的Alferd P Murrah州政府大楼楼板倒塌以及“911”世贸中心双子大楼倒塌为另外两个新阶段的标志，把抗连续倒塌设计研究推向了新的高潮。近几年来由于地震、恐怖袭击、意外爆炸事件的发生引起的建筑倒塌造成的人员伤亡、财产损失惨重，所以如何避免建筑物的严重破坏，保护人民生命和财产的安全得到重视。随着科技的发展，建筑采用的材料种类也越来越多：钢筋混凝土结构、钢结构、组合结构，材料的性能也有着不同的差别，在抗连续倒塌方面也有不同的性能表现。

本文将对当前主要的结构抗连续倒塌设计方法以及对国内外的规范进行介绍。

1 连续倒塌的概念

连续倒塌的定义在各国的规范都略有不同，但含义基本一致，大部分专家学者还是倾向于美国土木工程协会(ASCE7-10)中的定义：结构在初始正常的使用状态下，由于突然的荷载增大超出了局部结构的承载力，构件沿局部破坏进而传递给四周，最终导致结构的失效坍塌或是不成比例的部分倒塌[1]。

2 抗连续倒塌设计方法

2.1 概念设计法

这里说的概念设计是指从结构整体的冗余度、整体构造和结构延性等方面着手来增强结构的抗连续倒塌的能力。概念设计无论是在国内还是国外的设计规范中都有很重要的位置，具体来说就是要使用构件连接的方式来传递竖向荷载，当部分的结构发生破坏时，荷载可以顺利传递给剩余结构，整体结构仍能保持稳定状态。如果设计已经考虑了地震作用的影响，则结构本身就具有一定的抗连续倒塌的能力，若没有考虑地震作用，在设计时就要对结构可能出现连续倒塌的情况进行考虑，对构造加强锚固连接措施以及在必要位置提高适当的配筋率。

概念设计法包含的主要内容：

1)提高结构整体的冗余度，保证结构布置合理；

2)保证结构的多荷载传递路径；

3)考虑结构的整体性；

4)将反向荷载考虑进去；

5)楼板和梁发挥悬链线作用，对结构连续性配筋；

6)设计时使墙能承受横向荷载，对墙所能承受的荷载极限进行验算[2,3]。

2.2 拉结构件法

在结构的部分竖向支撑失效后，结构内部依靠现有的构件进行拉结，这样可以提供有效的荷载多传递路径。根据拉结方位的不同，可以分为：内部拉结、周边拉结、竖向拉结以及承重墙拉结。例如当结构某层的结构柱遭到破坏，上部的楼板和梁间，周围的结构柱以及承重墙相互拉结来抵抗局部破坏引起的周围连续性破坏，进而降低连续倒塌发生的概率。采用拉结构件法还和采用材料的强度有关，不同材料的拉结强度也不同，所以要求对拉结强度进行验算，以满足要求。该设计方法主要针对构件，能够在很大程度上保证结构的连续性，但是当下结构越来越复杂，进行验算模型的简化也越来越多，得到的结果可靠性也随之降低。

2.3 拆除构件法

拆除构件法也可以称为变化荷载路径法，是目前抗连续倒塌设计最常用的方法。该方法是通过有针对性的拆除一个或几个承重构件来对剩余整体的结构进行分析，用以判断结构抗连续倒塌的能力。这种方法是目前可靠性最高的一种设计方法，在美国的GSA和DOD规范中都选取了此种设计方法进行设计。对于典型结构来说，要对结构外围的短边中柱、长边中柱以及角柱依次进行拆除分析，然后还要拆除内部柱进行分析，以上工作需在结构的每层进行。分析从非线性和动力效应两个方面考虑，包含四种分析:非线性静力分析、线性静力分析、非线性动力分析以及线性动力分析。

2.4 关键构件法

关键构件法是指对发生破坏后可能引发大规模坍塌破坏的关键结构进行专门的设计和加固，其目的是为了抵抗偶然荷载施加在关键构件上而不会造成破坏。对于哪些是建筑的关键构件的判定，可以通过设计人员的经验来判断哪些构件是易遭受突然荷载或是构件本身就是薄弱的承重构件，也可以通过拆除构件法计算所得出的结果来确定哪些构件容易破坏，进而引起结构的连续性倒塌。关键构件法要求预测构件上的偶然荷载的大小和类型，我国的《高层建筑混凝土结构技术规程》中给出的构件表面侧向荷载的规定值为80 kN/m2[4]，而英国规范给出的值为34 kN/m2[5]。

3 国外规范

3.1 英国规范

自从Ronan Point倒塌事件之后，英国就开始对抗连续倒塌问题进行深入研究，为了防止以后类似的倒塌事件发生，进而制定了一系列的规范：Building Regulations，Approved Document 和British Standard。在Building Regulations中提出了关键构件设计法、拉结构件设计法以及构件的跨越设计法三种设计方法，在British Standard中提出了拉结构件设计法，按照其拉结位置及其作用的不同可以分为：内部拉结、周边拉结、墙/柱拉结和竖向拉结。在这一系列的规章、规程中主要对拉结构件设计法进行了详细的介绍和描述。英国是世界上第一个把有关结构抗连续倒塌问题以规范、规程的形式进行规定的国家，也提出了有关的设计方法、设计程序以及构造要求[6]。英国的抗连续倒塌规范已经有40年左右的历史，在这期间也经历了一些偶然事件、恐怖袭击，结构也都经受住了考验，这说明在一定程度上这些设计方法都是有效的。

3.2 欧洲规范

Eurocode1[7]主要针对有关具体的意外荷载的规范，该规范建议在设计时从三个方面来进行设计:降低意外事件发生的概率、减小意外荷载对结构的影响和增强局部构件的强度。Eurocode1(CEN 2006)从两个方面来进行结构的抗连续倒塌设计：一个是控制偶然事件发生的概率，即减少偶然事件的发生来保护结构；另一个是倾向于结构的直接抗连续倒塌设计，就是降低局部构件破坏对整体结构的影响，即控制意外荷载对局部构件的破坏。Eurocode1还给出了在对结构遭受突发事件进行分析设计时的具体做法：

1)减少突然事件的发生概率，加大建筑与道路之间的距离，注意保持建筑结构的通风。

2)减少非严重事件对建筑结构的破坏，如在建筑物的周围增加防护设施。

3)增强结构件的强度，减小意外事件对结构的破坏。规范对撞击、爆炸的荷载情况进行了详细的介绍和规定。

3.3 美国规范

美国对结构抗连续倒塌的研究浪潮是以“911”事件为开端的，在这次事件过后美国土木工程协会(ASCE)、美国总务部(GSA)以及美国国防部(DOD)等相继推出了一系列的设计规范指南。2001年美国国防部编制《建筑抗连续倒塌设计》，美国总务部(GSA)在2003年编制《联邦政府办公大楼以及大型现代建筑连续倒塌分析和设计指南》，其中对抗连续倒塌设计流程进行了详细的叙述，上述这些设计指南都多次进行了修订。

GSA2003[8]是世界第一部专业的抗连续倒塌规范，其中明确加深了连续倒塌的定义，给出了拆除构件法的详细流程，以及线性、非线性和动力、静力组合的分析方法。DOD2010则是针对恐怖袭击编制的抗连续倒塌规范。

3.4 日本规范

2005年日本钢结构协会联合美国高层建筑与城乡住宅理事会编制了《高冗余度钢结构倒塌控制设计指南》。该指南中主要对高层钢结构设计的冗余度进行了详细研究，提出了用三种冗余度的方法来评估结构的荷载在重新进行分布后是否有连续倒塌的危险：简单评估法、详细评估法以及柱轴压比评估法[9]。

4 结语

近期法国发生了一系列的恐怖袭击，从Alferd P Murrah州政府大楼倒塌到“911”事件，恐怖活动有日益猖獗的趋势，所以建筑的抗连续倒塌也来到了一个更加重要的位置上。本文总结了主要的结构抗连续倒塌设计方法，对国外主要的规范指南进行了简述，对比我国的结构抗连续倒塌研究情况来看起步比国外要晚，相关规范制定也比国外要晚一些。多数的抗连续倒塌设计仍然是依靠设计人员的经验，用关键构件法以及拆除构件法进行设计。对于结构节点的形式、连接形式、支撑形式、高冗余度、结构层的布置和转换形式以及建筑材料等因素对结构抗连续倒塌的效果也有很大的影响，关于结构抗连续倒塌需要在兼顾这些影响因素的情况之下，对设计理念以及设计流程进行详细深入的研究。

[1] ASCE 7-10 Minimum design loads for buildings and other structures[S]. American Society of Civil Engineers，2010.

[2] Unified Facilities Criteria:Design of Structures to Resist Progressive collapse[S].U.S. Department of Defence,2005.

[3] Liu Y.Failure analysis of building structures under abnormal loads[D].Canada:University of Waterloo,2004.

[4] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[5] 吕 婷.高层建筑混凝土框架结构双柱失效的抗连续倒塌研究[D].济南：山东建筑大学，2015.

[6] BSI.2002.BS8110.Structural use of concrete,Part 1:Code of practice for design and construction[S].London:British Standard Institute.

[7] CNE.2006.EN 1991-107 Eued code 1:Action on structures[J].Part 1-7:General Action Accidental actions[S].Brussels:European Committee for standardization.

[8] General Services Administration(GSA).Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Project[S].Washington DC,2003.

[9] 日本钢结构协会，美国高层建筑和城市住宅理事会.高冗余度钢结构倒塌控制设计指南[M].陈以一，赵宪忠，译.上海:同济大学出版社，2007.

On design methods for structural continuous collapse resistance and foreign regulations

Han Xiao Li Chenghua

(CollegeofArchitecturalEngineering,Xi’anTechnologicalUniversity,Xi’an710021,China)

The paper introduces the concept of the continuous collapses, analyzes the design methods for the structural continuous collapse resistance from the concept design methods, tensioning method, demolishing method, and key component methods, and explores the regulations for the structural continuous collapse resistance in foreign countries, so as to provide some reference.

structure, continuous collapse, concept design method, tensioning method

2016-03-25

韩 啸(1989- )，男，在读硕士； 李成华(1976- )，男，副教授

1009-6825(2016)16-0027-02

TU318

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