框架结构抗爆和抗连续倒塌研究进展及问题

(广州大学土木工程学院 广东 广州 510000)

随着社会经济的发展，越来越多满足人们各种使用功能的建筑不断兴建，如何规避或减轻建筑物因遭受地震、台风、爆炸冲击等外力影响而引发的结构破坏甚至倒塌对人们生命财产安全的威胁，是土木工程学者不断探索研究的重要任务，建筑材料和建筑技术也紧随着建筑的各种使用要求和抗力要求日益革新。

典型的重大爆炸事故造成人员及财产损失惨重，近年来，我国部分大型新建项目已将防爆性能作为结构设计的重要环节，如深圳证券交易中心、上海虹桥机场枢纽中心等，考虑了结构物的抗爆性能进行设计，建筑结构抗爆性能已成为结构设计中的关键问题之一。

钢管混凝土从出现至今在国内外学者的研究完善之下，理论及应用都有成熟的体系。钢管混凝土结构顾名思义是指在钢管中填充混凝土，钢管和混凝土共同承受外荷载。作为组合结构，钢管混凝土发挥了混凝土三向受压下较强的抗压性能，通过钢管的套箍作用弥补了混凝土较弱的抗拉和抗剪性能，同时钢管又因内部填充了混凝土而提高钢材的刚度和改善受压时易失稳的情况。两种材料相互作用既充分发挥了优点又改善了单一材料的不足之处，因此钢管混凝土结构目前被大量运用于桥墩、高层、超高层建筑等大型基础设施或公共建筑中。

上述提及大桥、高层、超高层建筑作为当今社会一些地标性建筑、人口密集区域建筑或有政治、经济、军事，交通意义的建筑设施都会成为恐怖袭击的目标或要考虑结构抗爆性能。爆炸在瞬间释放巨大的能量，爆炸产生的荷载具有传播速度快、峰值大、作用时间短等特点，爆炸事故一旦发生会直接造成人的生命财产安全损失外，还有可能对建筑结构的局部产生破坏，从而产生不成比例的结构连续倒塌，造成一系列更严重的次生灾害。

建筑结构遭受爆炸荷载的来源有两方面。一方面是主动性恐怖袭击，恐怖分子的目标往往是重要建筑或人口密集区域建筑，手段主要是定点安置爆炸物和移动式的汽车炸弹。另一方面是意外性爆炸事故，主要原因为人们生活生产上的管理不善和操作不慎造成燃气泄漏、易燃物燃烧等引发爆炸。结构抗爆技术的进步伴随着人类付出的惨痛代价，下列为至今爆炸事件和结构抗爆、抗连续倒塌学术界的发展历程概况。

1968年5月16日，英国伦敦的Ronan Point公寓大楼一角某室内煤气泄露引发爆炸引发大楼该区域连续倒塌，事故中有4人死亡、17人受伤。事故引起了国际结构工程界的高度重视和广泛的研究讨论，视为各国工程界修订抗爆、抗连续倒塌规范规程的起点。

1995年4月19日，美国俄克拉荷马州的Alfred P.Murrah联邦大楼门前遭遇汽车炸弹恐怖袭击致使建筑前部连续坍塌，整个建筑三分之二部分破坏，造成168人死亡，680余人受伤，经济损失6.52亿美元。该事件政治影响和抗爆、抗连续倒塌学术意义巨大，进一步引起土木工程学者研究热潮。

2001年9月11日，美国纽约的世贸中心双子塔被塔利班组织恐怖分子劫持飞机撞击，爆炸及引发大火造成两座超高层建筑中部开始倒塌，化为乌有，事故遇难者总数高达2996人，经济损失达2000亿美元。事后，高层建筑结构的抗倒塌设计更为引起工程界的重视，针对性的《GSA2003》、《DoD2005》等一系列设计规范相继修订出台。

Mehrdad Sasani等对六层带填充墙的钢筋混凝土框架结构进行抗倒塌试验研究并和有限元数值模拟对比。试验模拟了底层相邻的两根柱(一根边柱和一根角柱)失效移除，结果显示剩余框架荷载重分配，依靠Vierendeel悬链线效应承受荷载，结构只发生6.4mm的竖向位移。

易伟健等对钢筋混凝土框架结构因底层框架柱失效后进行倒塌静力分析，研究对象为一个三层的缩尺比例框架试验模型，通过往失效柱顶增加荷载，分析倒塌响应。研究表明底层失效后，失效处梁竖向位移456mm，转角10.3°，框架剩余承载力约为框架悬链线效应极限承载力的70%。

Vlassis等提出一个简化的用于多层框架结构的倒塌分析评估方法，假设框架柱构件在偶然荷载下突然失效移除，通过三个独立阶段去分析剩余框架的响应，分别是楼板系统的非线性静力破坏分析、简化的能量守恒动力学评估和最大动力变形下延性评估。

高超等进行3层钢管混凝土框架结构模型在不同起爆点、不同距离、不同炸药当量等条件下的爆炸荷载试验，研究爆炸荷载下框架结构的动力响应、失效模式和连续倒塌破坏机理并进行非线性有限元动力对比分析。试验结果表明：内爆炸引起的破坏要远大于外源爆炸，但由于框架结构内部传力路径较多，可进行内力重分布,局部倒塌的发生不至于引起框架结构的连续倒塌破坏；数值模拟基本反映角部爆炸荷载作用下RC框架结构的动力灾变过程，可为今后的参数影响分析和爆炸荷载作用下RC框架连续倒塌破坏模式控制提供参考。

Hao Hong等利用LS-DYNA有限元软件中建立一个三层两跨钢筋混凝土框架结构，按照美国国防部颁布的抗连续倒塌分析规范GSA和DoD中的要求，模拟结构在爆炸荷载作用下的连续倒塌响应，并提出一种改进的DYN分析方法。模拟结果表明DoD方法比GSA方法对倒塌的竖向位移有更合理的评估，但仍需要更多试验、模拟来研究结构失效柱的本构特性。

针对节点、结构的爆炸荷载作用下抗连续倒塌研究集中于混凝土结构，混凝土结构的延性较弱，直接遭受荷载的钢筋混凝土柱延性不足而失效，导致整个结构连续倒塌。从911事件教训得知，地标性高层建筑，人流集中地下空间，大桥一般采用钢/钢管混凝土结构，考虑结构抗爆性能及抗连续倒塌性能更有研究意义。

张秀华等采用流固耦合算法，通过有限元分析软件LS-DYNA建立一个五层钢框架结构、炸药和空气数值模型，模拟钢框架在近地爆炸荷载作用下超压和冲击波的传播，结构的响应。分析结果表明采用拉格朗日-欧拉耦合算法可以较好地模拟爆炸荷载作用下结构的动力响应，且要同时考虑爆炸冲击波和地面运动对结构的破坏；结构的破坏首先从迎爆柱柱中和柱顶节点开始产生较大塑性变形而导致整体结构连续倒塌。

结论

团队曾做过钢管混凝土柱构件试验，结果表示圆钢管混凝土柱有更明显的屈服平台和更强的竖向承载力储备，适合用于结构抗爆。目前国内外对于使用钢管混凝土柱的框架结构爆炸荷载作用下的连续倒塌研究不多，主要集中在钢筋混凝土结构和钢结构框架方面，对采用钢管混凝土柱的混合框架结构在爆炸荷载作用下的倒塌分析的数值模拟和试验研究尚不多见，因此有必要开展钢管混凝土框架组合结构在爆炸荷载作用下的研究。