建筑结构防连续倒塌设计方法研究

马晓华 孙丽军 尹有军 乔安宇

(大连市建筑设计研究院有限公司，辽宁大连 116021)

建筑结构的安全问题是结构设计中的首要问题。近年来，由于撞击、爆炸等偶然荷载造成的建筑结构损坏时有出现，这些偶然荷载一旦对建筑结构的主要受力构件造成破坏，并引发连续性的结构倒塌，将造成非常严重的损失［1］。

我国《混凝土结构设计规范》2010版的修订中，考虑到“911”事件中纽约世贸中心的2栋110层高楼在遭到飞机撞击后相继倒塌和汶川大地震中框架结构严重破坏的事例，着重强调了提高结构的整体稳固性，以避免出现结构的连续倒塌。相应地引入了:1)整体稳固性;2)重要构件冗余约束性、超静定结构体系、多条传力路线;3)防连续倒塌设计等内容和概念［2］。可以说混凝土设计规范的修订，强调了以防连续倒塌为目的的整体结构设计。

本文首先分析了连续倒塌设计的基本思想，之后对荷载组合方式、设计的指标、分析步骤等具体问题进行了论述，最后提出了设计和构造措施。本文可以在防连续倒塌领域的具体设计上，为工程技术人员提供一些有益的参考。

1 连续倒塌的概念及设计思路

连续倒塌是指初始的局部单元破坏向其他单元扩展，最终导致结构大范围区域的或者整体性的倒塌。

连续倒塌一般是由偶然荷载引发。偶然荷载是指在结构使用过程中出现概率较小，持续期很短的荷载。如:火灾、爆炸、车辆撞击、人为破坏、施工缺陷、基础的不均匀沉降、对结构的不适当处理。这些非常规荷载因素都可能造成结构的损坏，如在设计阶段没有妥善地对结构进行防连续倒塌设计，那么上述偶然因素造成的连锁性反应，均可能造成灾难性的后果。统计显示，15%～20%的倒塌是由上述因素造成的。

防连续倒塌设计以将偶然因素导致的损失减小至可接受程度为目标。各国针对防连续倒塌设计制订了不同的规范:如英国规范(BS)、美国土木工程学会规范(ASCE)、美国总务署(GSA)、美国国防部(DOD)、纽约规范(NYC)等。就设计思想而言，包括针对构件的抗倒塌设计、针对荷载传递路径的抗倒塌设计和针对结构体系的抗倒塌设计三个层次。从设计方法而言，主要包括了局部加强法、拉结构件法和拆除构件等基本方法。

1.1 设计思想

第一层次对于构件而言，称为关键构件设计。特别是那些可能直接遭受意外荷载作用的关键构件，如工业建筑中危险源周边的结构构件，容易遭受车辆撞击的结构外边柱等等。对这些关键构件应进行加强或者进行保护性设计。这一方法的优点是设计对象明确，设计方法可以沿用传统方法。其缺点是由于突发事件本身难以预测，成功做到单一结构构件在突发事件下不发生破坏，其可能性较低。

第二层次设计思想是以变换传荷路径法为基础形成的。其原理是在部分结构构件已经发生破坏或丧失功能的基础上，通过形成有效的备用荷载传递路径来提高结构的二次承载能力。也就是说通过有效的应力重分布来承担由于局部构件失效造成的影响，从而有效地减少发生坍塌的范围。

第三层次是针对结构体系的设计。其重点是对结构进行有效的分区，以将破坏限制在受破坏区的范围内，减少结构整体连续倒塌的可能。这种设计适用于多跨桥梁、厂房等结构层数少同时平面尺寸较大的结构。对于高层建筑而言，由于不能有效的控制倒塌范围，这一方法的使用受到限制。

1.2 局部加强法

局部加强法是指提高可能遭受偶然作用而发生局部破坏的重要竖向构件和关键传力部位的安全储备。设计时可以直接提高重要构件承载力(尤其是受剪承载力)和延性，对钢结构也可提高钢构件的耐火性能。局部加强法也可以直接考虑偶然作用进行设计，如英国规范要求考虑意外设计荷载34 kN/m2(5 psi)，此荷载按横向及竖向分布作用于承重及围护结构，每次作用考虑一个方向。

1.3 拉结构件法

抗拉结力设计是在结构局部竖向构件失效的条件下，建筑结构内部形成拉结力。内部拉结力分为水平拉结和竖向拉结。水平拉结来自纵向、横向和外围拉结力。纵向拉结是来自柱和承重墙的拉结力。拉结设计的目的是保证结构在发生局部破坏时，其屋面或楼面的荷载对结构的拉力，能够有效地被梁柱系统承担。对于图1不同位置的结构构件，应该分别满足以下要求:

1)结构内部的梁和楼板要保证具有基本的拉结力，并且应保证与周边的拉结体系锚固良好。

2)由于周边框架梁承担锚固其内部的梁和楼板传递的拉结力，因此其不能小于同方向相邻内部构件的拉结力。

3)墙/柱的竖向拉结要求自基础至屋面连续贯通，并且大于各层中水平拉结力的最大值。

图1 提高结构整体性的不同类型拉结

拉结设计主要保证上述构件满足其所处位置的拉结强度要求，计算中按新的计算简图，采用梁、悬索、悬臂的拉结模型继续承载受力。由于这种方法针对构件进行，对于复杂结构而言，简化程度较高，可靠性低，也不能有针对性地对某一位置的破坏进行设计和验算。

1.4 设计方法——拆除构件法

拆除构件法是目前用于设计分析的最常用方法，也称为变化荷载路径法(Alternate Path Method)。其基本方法如图2所示。其中X处表示对原结构框架柱的拆除。该法是目前对连续倒塌针对性最强，可靠性最高的一种设计方法。美国的DOD2005规范和GSA规范都采用了这一方法。

图2 拆除构件法的图示

2 连续倒塌分析

目前国内外的连续倒塌分析主要以基于拆除构件法的数值计算和室内结构倒塌模拟试验两个途径来实现。

2.1 连续倒塌的计算分析

计算方法包括静力计算法，静力非线性计算法，动力线性计算法，动力非线性计算法。当应用于10层和10层以下的规则结构时可采用线性分析;对10层以上的结构和非规则结构则必须采用非线性方法。静力分析和动力分析的差别在于前者采用了动力方法系数考虑动态效应，后者则使用时程分析考虑动态效应，这一方法比静力分析更加复杂，分析结果更加接近实际。

分析之初应首先明确计算的荷载组合。表1比较了几种国外规范［3-6］中的组合方式。

表1 连续倒塌分析中的荷载组合

从表1可见，由于连续倒塌的产生几率并不高，在设计中活载、风荷载、雪荷载等荷载的组合系数均较小。风荷载的引入主要是保证结构横向仍然有一定的稳定性。竖向的恒载在连续倒塌中起主导作用，在ASCE规范中将偶然荷载进行了组合，而在英国规范中，偶然荷载设为34 kN/m2，用来对关键构件进行验算。

根据美国总务署(GSA)颁布的“连续倒塌的分析与设计导则”，连续倒塌分析的步骤如下:

1)建立有限元模型。

2)对未破坏结构进行静力分析，利用计算结果，确定失效的关键构件。

3)去掉失效构件，将由于该构件失效引起的动力荷载组合施加在结构上，对模型进行动力分析，如果在这一过程中有其他构件失效，则移除该构件，同时将其上的荷载分配到周围构件上。

4)读取非线性时程分析的结果。

5)基于状态参量来估计计算结果。判断结构的抗倒塌性能。

状态参量的选择主要考虑韧性指标和转角变形两项指标。其中韧性指标为作用能力比(Demand-Capacity Ratio，DCR)，计算如式(1):

其中，S为作用，即分析所得构件或节点承受的作用;R为能力，即构件或节点的极限承载能力。

在动力分析中，对于框架梁，取其支撑处的挠度超过其跨度的10%时作为构件失效。再进行倒塌判断，如倒塌部分的面积超过15%，则认为出现连续倒塌。

目前多数结构计算软件PKPM和SAP等均可进行静力分析。而动力的连续倒塌分析一般采用通用软件实现，如可用有限元动力分析软件LS-DYNA，利用其材料库中的钢筋混凝土整体模型以及接触算法进行钢筋混凝土结构的动力分析。

2.2 连续倒塌试验

连续倒塌问题相当复杂，计算模型中包含着大量的假设和简化。因此，在连续倒塌领域，试验研究也是一个方向。近年来的一些抗倒塌性能试验研究，为连续倒塌理论提供了大量的成果。

单榀框架的倒塌试验显示［8］，倒塌过程中结构首先是从弹性状态向塑性状态转化，然后随着塑性铰区域的混凝土剥离，结构体系由受弯为主的塑性机构变为受拉为主的悬索机构。最终的破坏形式为框架梁的钢筋拉断，使框架完全倒塌。由于塑性阶段的荷载仅相当于悬索机构荷载的70%，因此采用塑性机构计算框架结构的防连续倒塌能力是合理的。

3 连续倒塌设计和构造措施

我国规范中还未对连续倒塌提出具体的设计和构造措施，这里通过对国内外研究现状的归纳，总结出以下的设计方法，供工程技术人员参考。

3.1 防连续倒塌设计方法

根据梁益［11］采用拆除构件法的研究结果，建筑顶部边梁强度对框架结构防连续倒塌能力的贡献较大。应该在满足强柱弱梁原则的基础上，提高顶部(尤其是顶层)框架梁的配筋，改善顶部结构的跨越能力，从而提高框架结构抗倒塌能力。

框架结构的边柱或角柱丧失承载能力时，有效的跨间支撑将会大大提高结构的防倒塌能力。

在框架结构体系中，在框架柱失效时，大柱距会减弱结构二次分散荷载的能力，因此较小柱距可提高框架结构的防倒塌能力。

3.2 构造措施

对于板柱结构体系，通过将板底部钢筋正确锚入柱内，在梁柱体系内形成有效的拉结力，具有明显的作为销键后期受剪作用。底部连续配筋还可在柱上悬挂破坏的楼板，起到悬链作用，从而减少发生连续倒塌的可能性(如图3所示)。

图3 底部钢筋的作用

悬挑结构本身不利于二次传荷路径的形成，因此有抗倒塌需求的结构中应慎重使用。但若在底层建筑周边采用悬挑结构，由于建筑外墙处竖向构件较少，能降低车辆撞击对底层柱的影响。

构造措施主要用于提高结构的整体性，值得注意是，很多用于抗震设计的构造措施也能够起到抵御连续倒塌的效果，在设计中也可以采用。例如采用芯柱或螺旋箍筋的框架柱的承载力和变形能力较高，可以提高结构的防连续倒塌稳固性。

值得注意的是，对于不同的结构体系，其发生连续倒塌的机理不同，如RC框架结构和剪力墙结构中，对底部纵向受力钢筋的布置进行强化，通常是要求适当的纵筋搭接构造，以满足拉结力要求。而对于大跨空间结构而言，其构件以受拉为主，防倒塌设计中要求这些构件应具有一定的受压承载力。对于预制装配式楼面—墙板体系而言，最重要的是改善其连接构造，同时提高其强度。对于钢框架应充分保证梁柱连接节点的抗弯与抗拉强度。总之，应该结合结构的特点采用适宜的防连续倒塌设计方法和构造措施。

4 结语

1)根据我国现行《混凝土结构设计规范》2010的防连续倒塌设计思想，概括了目前国内外常用的防连续倒塌设计方法。

2)比较了各国规范中的荷载组合方式，介绍了防连续倒塌设计方法和步骤。拆除构件法是实际结构设计中最广泛应用的方法，可以用通用软件实现其抗倒塌指标的求解。

3)总结了设计和构造措施，应该结合结构的特点采用适宜的防连续倒塌设计方法。

［1］ 叶列平，陆新征，李 易，等.混凝土框架结构的抗连续性倒塌设计方法研究［J］.建筑结构，2010，40(2):1-7.

［2］ GB 50010-2011，混凝土结构设计规范［S］.

［3］ Structural Use of Concrete:Part 1:Code of Practice for Design and Construction.BS 811021［S］.London:BSI，1997.

［4］ Eurocode I:Actions on Structures，Part 127:General Actions Accidental Action.EN19912127［S］.Brussels，2006.

［5］ Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Project.GSA2003［S］.Washington DC:General Services Administration，2003.

［6］ Design of Structures to Resist Progressive Collapse.DoD 2010(UFC4-023-03)［S］.Washington DC:Department of Defense，2009.

［7］ 胡晓斌，钱稼茹.结构连续倒塌分析与设计方法综述［J］.建筑结构，2006，36(S1):79-83.

［8］ 易伟建，何庆锋，肖 岩.钢筋混凝土框架结构抗倒塌性能的试验研究［J］.建筑结构学报，2007，28(5):104-109，117.

［9］ 江晓峰，陈以一.建筑结构连续性倒塌及其控制设计的研究现状［J］.土木工程学报，2008，41(6):1-8.

［10］ 胡庆昌，孙金墀，郑 琪.建筑结构抗震减震与连续倒塌控制［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［11］ 梁 益，陆新征，李 易，等.国外RC框架抗连续倒塌设计方法的检验与分析［J］.建筑结构，2010，40(2):8-12.