中国钢结构抗连续倒塌研究：回顾与展望

裴 强，吴 聪

(大连大学建筑工程学院，大连 116622)

《建筑结构抗倒塌设计规范》(CECS 392:2014)[1]规定的连续倒塌定义是指“由初始的局部破坏，从构件到构件扩展，最终导致一部分结构倒塌或整个结构倒塌”。从1968年英国Ronan Point的公寓燃气爆炸事件，到1995年美国Alfred P Murrah联邦政府大楼汽车炸弹袭击事件，再到2001年纽约世界贸易大厦飞机撞击事件，连续建筑物倒塌事故不断走入世人的视野，其带来的沉重破坏与损失让工程界对其愈加的重视。现如今，钢结构建筑越来越大型化、复杂化，设计使用寿命愈长，遭受意外破坏荷载的可能性也随之增加，故出现连续性倒塌所产生的后果也会愈发严重。随着中国专家学者相关研究的进一步完善深入，钢结构抗连续倒塌研究在灾害无关类和灾害相关类[2]两大方面取得了诸多重要的研究成果。现将对近15年中国钢结构防连续倒塌在上述两方面的研究成果进行总结归纳，梳理出各类试验的方法和进展，并结合数值模拟及理论计算与评估探讨相关研究的侧重点和提升抗倒塌性能的有效入手点，同时联系工程实践简述主要理论应用现状，并以上述为基础展望中国钢结构抗连续倒塌研究的发展方向。

1 钢结构连续倒塌灾害无关类研究

中国知网数据库中2005—2020年关于钢结构抗连续倒塌研究的论文数量的统计结果如图1所示。结果表明，该领域发文量在近15年总体增长趋势稳定。

图1 中国钢结构连续倒塌论文增长趋势Fig.1 The growth trend of papers of progressive collapse of steel structure in China

如果认为造成结构出现连续性倒塌的偶然意外荷载(如撞击、强震、火灾、爆炸等)的作用是有限的而不予考虑，且认为连续倒塌是由于结构自身的冗余度、整体性等方面欠缺导致的。将研究重心放在结构发生局部破坏后的破坏机理、设计方法上，以避免剩余整体结构继续出现不成比例的破坏。这样的研究称为连续倒塌灾害无关类研究[3]。此类研究对建立普适性的结构抗连续倒塌设计规范理论具有重要意义。

1.1 试验研究

在钢结构连续倒塌灾害无关类试验研究中，往往是基于拆除构件法进行相关的静力试验或动力试验。就钢结构静力加载试验而言，有子结构试验和整体结构试验。子结构试验中为模拟剩余结构的约束常将钢制试件固定在较稳固的边界上，作动器则一般在构件拆除处通过单调静力方式施加位移控制荷载来模拟连续倒塌下的荷载作用。较为典型的试验装置如图2所示。

图2 典型子结构静力试验加载装置Fig.2 Typical substructure static test loading device

对于整体结构试验，一般需要在整体结构上吊挂初始载荷以模拟结构实际工况，除和子结构试验一样使用伺服作动器进行加载外，为了更好地模拟实际结构的倒塌破坏过程以及更准确地记录结构倒塌前的初始状态数据，常用千斤顶在作动器加载位置下方全过程配合静力加载[4]。典型的试验装置如图3所示。

近十余年来，中国先后有大量专家学者对钢结构连续倒塌静力试验开展了深入研究。对于子结构静力试验，Li等[5]对栓接与焊接两种连接方式的钢梁-柱子结构进行了足尺试验。表明了钢结构在中柱破坏的连续倒塌过程与混凝土结构类似，同样存在梁机制阶段、梁与悬链线混合阶段以及悬链线机制阶段，但是钢结构能否充分发挥悬链线阶段的承载力与梁柱节点刚度有直接关系。针对这一点，孟宝等[6]对刚接、半刚接和铰接三种不同刚度的节点进行了静力大变形加载试验。研究表明，以腹板双角钢为代表的半刚性连接可以充分发挥梁阶段与悬链线阶段的承载力，更有利于钢结构抗连续性倒塌。在此基础上，钟炜辉等[7]还研究了不同跨度比对钢结构抗倒塌能力的影响。研究表明，在一定范围内，不同跨度比对半刚接子结构承载力影响不大；但等跨相较于不等跨有更高的抗倒塌承载力。王伟等[8]则通过栓焊混合连接钢梁-柱子结构静力试验研究发现腹板螺栓的排列布置方式对悬链线效应有直接影响。

就整体结构的静力试验而言，谢甫哲等[4]揭示了钢框架结构在一根框架柱失效情况下整体剩余结构的倒塌破坏过程及主要破坏位置，其成果对钢框架结构的数值模拟分析和抗倒塌设计有一定的指导意义。赵宪忠等[9]则利用高速摄像机记录了单层球面网壳结构从局部破坏到大范围倒塌的全过程，揭示了网壳结构连续倒塌的主要模式。

对静力试验进行补充与深入的是动力试验。结构的连续性倒塌是一个复杂的强非线性动态过程，通过动力试验研究可以更准确直观地认识竖向构件在突遭破坏后结构的动力响应，从而对材料应变率、动力放大系数等因素进行研究。一般而言，对于梁或楼板所受的上部结构荷载通常用吊装质量块或铺堆载来模拟。对于模拟构件短时间失效的动力激励方式繁多，通过汇总归纳，总结出几类较典型激励方式如表1所示。

图3 典型整体结构静力试验模型立面图[4]Fig.3 Elevation of typical integral structure static test model[4]

表1 典型动力激励名称及形式Table 1 Name and form of typical dynamic incentive

考虑到已有研究表明：失效时间越短，对剩余结构产生的影响越不利[10]。可根据试验要求及试验条件选择合适的激励方式。基于相关试验条件，采用磁阀与冲击激励两种方式可将失效时间控制压缩在理想的极短时间内。

对于此类动力试验，也有一些专家学者进行了研究。谢甫哲等[11]采用气缸作为动力试验激励装置，研究了方钢管平面钢框架的倒塌破坏历程并对荷载动力放大系数进行了分析讨论。霍静思等[12]则通过落锤试验机对不同过焊孔构造的钢梁-柱子结构进行了动态倒塌试验，研究此类构造的动力性能和悬链线发展机理。研究表明，扩大型过焊孔相比于扇形变形耗能能力更强，也有助于钢构件悬链线效应的发展。

大量钢结构的连续倒塌试验表明，钢结构防连续倒塌能力能否得到实质性提高在于钢结构的悬链线效应能否充分发挥，而节点的变形能力是决定悬链线效应能否充分发挥的重要因素；针对刚性、半刚性节点的特点对钢结构的连接和构造形式进行合理的评估与选用具有重大抗倒塌工程实用价值。

1.2 数值模拟

实际试验的局限性使得数值模拟成为研究子结构特别是整体结构连续倒塌的重要工具。数值模拟重要的一环是模型的建立，模拟相对准确的钢结构连续倒塌分析模型主要有3种：①纤维单元模型(如图4所示)：此类模型能自动考虑轴力弯矩的耦合作用，特点是可较准确地实现杆件塑性分布的模拟[13]；②采用二维壳单元或三维实体单元模型：这类精细化模型对计算机计算性能要求高，一般用于子结构试验的模拟验证；③基于刚性杆和弹簧组成的节点机械模型(如图5所示)而搭建的一维梁杆模型：此类模型适用于整体结构的倒塌设计分析研究。

图4 纤维单元示意图[13]Fig.4 Fiber unit diagram[13]

其次是分析方法的选用，因为目前研究对象以钢框架结构为主，所以数值模拟使用最广泛的是备用荷载路径设计法(alternate path method，AP)，基于此法可采用的分析方法有线弹性静力分析、非线性静力分析、线弹性动力分析、非线性动力分析4种[15]。因为一方面引发结构出现连续倒塌的局部构件突变振动会产生惯性力，这决定了连续倒塌是一个动力过程；另一方面，材料的损伤破坏以及几何位移、碰撞、变形等使得这一过程必然伴随着非线性，所以非线性和动力效应的合理考虑深刻影响着分析结果。在综合考虑工作量和准确可信度等要求下，学术研究中又以非线性静力分析和非线性动力分析为主。下面主要介绍采用这两种分析方法的研究成果。

在节点研究方面，李金威等[16]采用精细化实体模型和壳单元模型对几种不同构造的节点进行了抗倒塌能力分析。王伟等[17]在精细化模型的基础上，设置各部件断裂属性与摩擦因数，通过单元删除准确模拟了改进型全螺栓连接构造节点在倒塌全过程的变形与断裂。李分德等[18]基于ANSYS/LSDYNA研究了采用翼缘削弱型节点的钢框架子结构在不同柱失效工况下的抗倒塌性能。研究表明角柱失效产生的不利影响最大。Han等[19]基于弹簧等组件模型开发了可用于铸钢加劲肋梁柱节点连续倒塌分析的高效宏模型。谢甫哲等[20]对传统节点组件模型进行了改进，改进的组件模型可较准确地对全焊接刚性节点的倒塌受力进行分析。霍静思等[21]基于集中塑性铰杆单元对平面及空间钢框架进行了动力分析，研究表明了节点转动刚度对动力效应的重要影响。曲激婷等[22]则对平面钢框架进行非线性动力分析，比较了刚接与半刚接结构在底柱不同位置失效时的动力响应。从整体结构的宏观角度表明了一定的半刚性可以提高抗倒塌能力。

一些学者还对钢结构中楼板的膜效应以及梁的悬链线效应展开了相关数值研究。史奉伟等[23]建立了简化的带楼板钢框架杆系模型并进行了模拟动力效应分析。分析表明，楼板的拉膜效应对钢框架的结构抗力提高了1.6倍左右。李国强等[24]则建立精细化模型，用弹簧模拟轴向与转动约束，研究了分布荷载作用下钢梁的悬链线效应。

此外，不少学者还利用数值模拟研究了设置各类支撑、阻尼器的钢结构抗连续倒塌性能。马人乐等[25]研究了设置水平支撑的高层钢结构模型在底层柱移除后的动力响应。研究表明，水平支撑的存在可以有效降低结构底柱破坏后的竖向位移，从而一定程度上降低了发生连续倒塌的可能。刁延松等[26]分别对无支撑与设置了偏心支撑的高层钢框架结构进行非线性静力与动力分析。研究表明偏心支撑对提高结构抗连续倒塌性能有积极作用。徐嫚等[27]对5种中心支撑的钢框架抗倒塌性能进行了研究，研究建议可根据相关实际需求组合使用各形式的中心支撑。高山等[28]则将偏心支撑与中心支撑进行了抗倒塌能力对比。Wei等[29]对在节点横梁段设置波纹钢板的改良钢框架进行动力分析，研究表明该改良方法可实现部分塑性区的外移，提升了钢结构的抗连续倒塌能力。霍文星等[30]对带黏滞阻尼器的钢框架进行动力倒塌分析，研究表明抗震阻尼器对结构抗连续倒塌性能也有较大提升作用。

上述研究表明，钢结构的膜效应、悬链线效应等对抗连续倒塌有着重要的积极作用，应加以考虑并充分利用；同时，节点的构造与连接、支撑与阻尼器的设置等都是提高钢结构抗连续倒塌性能的有效入手点。

1.3 理论分析

随着钢结构抗连续倒塌试验研究与数值模拟的不断改进和深入，中国在钢结构抗连续倒塌方面的理论分析研究也取得了许多重要的进展。主要成果包含动力效应研究、评估方法及各类计算方法研究。

连续倒塌的动力效应一般用动力放大系数来衡量。胡晓斌等[31]对简化的平面钢框架中柱失效模型进行理论分析，总结了从线弹性到塑性状态动力放大效应与构件失效时间、阻尼比及需求能力比(demand to capacity ratio，DCR)的关系。陈俊岭等[32]则从单自由度体系出发，推导了中间支座失效后两跨连续梁的动力放大系数并与数值模拟结果对比分析。研究建议，静力分析评估时的动力放大系数取1.6～1.8更为合理。

结构的鲁棒性反映了结构对局部破坏的不敏感度[33]，鲁棒性越高说明结构防范连续倒塌风险的能力越强，故结构抗连续倒塌性能可用结构鲁棒性来评估。黄冀卓等[33]基于构件重要性系数及结构冗余度，提出了一种可定量评估刚接钢框架结构鲁棒性的评估方法。Jiang等[34]则基于结构易损性分析定义了失效后果与失效概率指数，从概率角度对结构的鲁棒性进行了量化。谢甫哲等[35]基于静力线弹性、静力非线性以及动力非线性三种连续倒塌分析方法的评估结果与特点，提出了钢框架结构抗连续倒塌综合评估流程。张号浩等[36]则选取了破坏位置等三大不确定性因素，建立钢框架结构抗连续倒塌概率评估流程，并从100组评估样本模型的结果中推导出连续倒塌易损性曲线，实现了对钢框架结构连续倒塌性能的概率评估。

关于计算方法的研究则涵盖了钢结构连续倒塌过程的各个阶段，其中又以能充分发挥钢结构抗连续倒塌能力的悬链线阶段(图6)为研究重点。张月强等[38]依据结构动力学的相关理论推导了瞬时卸载法动力分析中结构关键构件失效前等效荷载最小作用时间的求解公式。郑阳等[39]基于悬链线状态下钢梁柱子结构的屈服特性，推导了钢梁在悬链线阶段的最大容许位移计算公式。钟炜辉等[40]则基于简化的抗倒塌理论模型，详细推导了考虑楼板效应的不等跨钢框架组合梁柱在连续倒塌过程中的弹性、弹塑性等5个不同发展阶段的承载力-位移计算公式。王开强等[41]提出了分布荷载下的弹簧约束钢梁计算模型，并推导了该类约束钢梁在悬链线效应发展过程中的荷载-跨中挠度计算公式。Yang等[42]提出了角钢连接的钢框架在大变形连续倒塌下的承载力-位移曲线计算方法。

Rc为结构抗力需求；F1、F2为构件抗力需求；Δ为最大竖向位移；q为均布荷载；m为最大竖向位移位置点；L1、L2为最大竖向位移位置距梁端水平长度图6 子结构悬链线效应简图[37]Fig.6 Schematic diagram of substructure catenary effect[37]

1.4 工程实践

钢结构与传统的混凝土结构和砌体结构相比具有轻质高强、施工速度快、回收率高等诸多优势。越来越多的超大型复杂钢结构建筑(如复杂高层、大跨空间结构等)出现在生活中，对于这类重大钢结构工程的抗连续倒塌分析与设计受到了业主及相关设计人员的高度重视。目前使用较多的抗连续倒塌设计方法有概念设计法、拉结强度法、拆除构件法(替代路径法)、局部加强法[1]，其中以基于拆除构件法(替代路径法)进行静力或动力非线性分析运用最为广泛。然而一般需要抗连续倒塌设计分析的工程结构所含构件数目庞大，若对所有承重受荷构件进行拆除构件法设计分析，则会过于费时费力而难以实现。为了提高分析效率与准确性，先判断选取关键构件显得尤为必要。目前，判定关键构件的方法一般包括基于刚度的评估法，基于能量的判断法，基于强度的判定法，基于敏感性的分析法和基于经验理论的参考法。基于上述几类拆除构件判定方法的非线性连续倒塌分析在实际工程中获得了广泛的运用，取得了丰富的实践成果经验。

赵广坡等[43]在对成都双流国际机场T2航站楼大跨钢结构进行连续倒塌分析时，采用了基于刚度的评估法确定钢结构主体中的关键构件，并辅以基于经验理论的参考法进行比对与印证。张煊铭等[44]和丁阳等[45]分别在福州海峡国际会展中心与天津大剧院连续倒塌分析项目中采用了基于能量的判断法准确地确定出关键构件。路江龙等[46]对苏州中心屋面钢结构抗连续倒塌非线性分析中，通过基于强度的判定法选取轴压比最大的V形柱和树形柱作为关键构件。徐晓明等[47]、舒兴平等[48]采用基于敏感性的分析法，通过计算各类构件的重要性系数并选择数值最高的部分构件作为关键构件进行分析。但在实际工程中此类敏感性分析的结果会受到水平构件数量与位置的影响[49]，对于此类影响，蒋瓅等[49]则提出了改进型的敏感性分析法，朱禹风等[50]则采用基于经验理论的参考法选择悬挑长度最大桁架拉索作为关键构件进行倒塌分析。

2 钢结构连续倒塌灾害相关类研究

实际上，在偶然荷载作用下，不可能只有关键构件失效，其周边一定范围的构件也会伴有不同程度的损坏。因此，只采用以拆除构件法为主流分析方法的灾害无关类分析结果可能是偏不安全的。基于此，考虑导致结构可能发生连续倒塌破坏的具体原因，如火灾、大风、强震、撞击、爆炸、大雪堆载、局部沉降、施工误差等的灾害相关类研究显得尤为必要。这类研究从根源上认识这些不同的意外荷载诱发结构发生连续倒塌破坏的过程机制，虽然该类研究难以建立统一性的抗连续倒塌设计规范，但对不同灾害的研究成果使得工程设计人员可根据工程的实际情况对一些发生可能性较大的偶然荷载针对性地做好相关防连续倒塌设计考量以确保结构的安全。考虑到钢结构的耐火性、稳定性问题较为突出，目前国内针对钢结构连续倒塌的灾害相关类研究以火灾和爆炸居多。

2.1 火灾类相关研究

在试验研究方面，虽然火灾下整体结构连续倒塌试验成本较高，试验控制、跟踪记录难度大，整体结构力学行为复杂且具有一定的危险性，但是火灾试验作为研究此类灾害连续倒塌响应最真实有效的方法，一些国内专家学者仍积极地进行了相关试验研究。

在单个构件火灾试验方面，周明等[51]对约束钢柱在火灾下的力学性能进行了研究。陈玲珠等[52]则对栓钉剪力连接件在高温下的抗剪性能进行了试验研究。冯程远等[53]通过对平面钢框架进行了单柱受火倒塌试验，指明了钢材本构模型及应变率在准确模拟钢结构受火倒塌中的重要影响并给出了考虑建议。

在整体结构火灾试验方面，Lou等[54]搭建了全尺寸钢框架，对其在局部不对称受火情况下的倒塌进行了研究。蒋亚强等[55]通过足尺的单层单跨钢结构门式厂房火灾试验，揭示了门式钢架结构在真实火灾下的倒塌破坏过程。

在数值模拟研究方面，基于ABAQUS、ANSYS、FDS等有限元软件，不少专家学者对建立更简化、准确的分析模型与分析方法做出了努力。Jiang等[56]开发了用于模拟火灾下钢结构构件力学行为的模型。田相凯等[57]则建立了用于多高层钢结构单柱受火倒塌分析的单自由度简化模型，并建立了基于能量的结构反应简化计算方法。陈适才等[58]建立了用于多高层钢结构在局部火灾作用下连续倒塌分析的静-动力转换分析方法。

此外，部分学者还通过数值模拟完成了有关火灾试验中一些难以全面实现和控制的影响因素的研究。Jiang等[59]通过数值模拟完成了三维钢框架在不同防火保护和不同火灾位置倒塌性能的研究。鞠竹等[60]借助ABAQUS显式动力分析，对比研究了抗弯钢框架在不同火灾升温曲线下的结构的变化失效情况。研究表明，火灾升温速度以及最高温度值越高，结构失效速度也越快。李国强等[61]通过二维和三维结构数值模型，分析归纳了火灾下门式钢架的典型倒塌模式以及荷载比等诸多因素对其的影响。

综上所述，数值模拟是进行火灾相关类研究的最主要方法。发展改进考虑火灾荷载特性、各构件受火力学行为、初始破坏类型等方面的高效简化分析模型以及相关计算方法可以在保证分析精度的同时，进一步地提高计算效率，这对于火灾相关类钢结构防连续倒塌设计在实际工程中更好地推广应用具有重要意义。

2.2 爆炸类相关研究

恐怖袭击、意外爆炸等原因产生的爆炸偶然荷载具有传播速率高、峰值大、作用持续时间短等特点，在爆炸荷载作用下结构的连续倒塌是一个强非线性、高应变率、传播机制复杂的过程[62]。由于该类荷载比较特殊，相关试验研究受到很大局限，从安全与经济的角度出发，数值模拟是更现实有效的研究方法。

针对传统爆炸仿真分析模型复杂、计算耗时多的弊端，杜修力等[63]对爆炸荷载、结构构件、传递方式等角度进行简化，提出了一套完整的爆炸连续倒塌简化分析方法，该法在保证结果可靠的同时节省了大量计算时间。丁阳等[64]则通过将整个爆炸响应过程分两步来进行简化分析，即先用Remap模拟爆炸波的传播，在构件上布置测强点以记录不同位置的爆炸压强；再将记录的压强作用于精细结构模型之上，通过LSDYNA分析结构的动态响应与破坏过程。研究发现，钢框架结构抗爆性能较好，但钢框架结构节点附近区域存在压强峰值骤增或骤减的现象。

一些专家学者则对爆炸荷载作用下结构的破坏模式、倒塌机理及概率评估等方面进行了探究。张秀华等[65]模拟分析了钢框架柱以及不同形式的钢框架结构在爆炸荷载作用下的响应与破坏模式，总结出爆炸荷载作用特征与钢框架柱破坏模式间的对应关系以及不同层数、跨数对钢框架结构抗爆炸连续倒塌性能的影响。杜修力等[66]则通过对四层空间钢框架结构的爆炸模拟分析，揭示了底层中柱受爆破坏后结构的倒塌过程及机理，研究认为轴压比是控制钢框架结构受爆连续倒塌的关键参数，其值过大或过小都容易引发局部或整体失稳。Ding等[67]建立了一种两步法全过程评估框架体系，并将计算应用于十层原型钢框架结构上，结果表明该评估框架可有效预测结构在非确定性爆炸荷载作用下的失效概率。

考虑到爆炸往往伴生出火灾，火灾下又有发生爆炸的可能。基于此，陈晔[68]还对综合考虑火灾与爆炸的钢材本构模型以及爆炸与火灾联合作用下钢框架结构的损伤评估和倒塌机制进行了相关研究与探讨。

3 结论与展望

钢结构建筑巨型化、复杂化的稳步发展建立在愈发完善科学的规范与设计之上，钢结构抗连续倒塌研究对有关规范的完善与设计指导具有重要意义。从灾害无关类研究与灾害相关类研究两大方面出发，调研总结分析了国内目前在钢结构抗连续倒塌领域的科研与工程实践现状。结果表明，中国在钢结构防连续倒塌领域的研究一直很活跃，相关论文数量稳步增长，研究角度深刻、全面，且取得了诸多代表性的成果。

在钢结构连续倒塌灾害无关类研究方面，基于拆除构件法的试验研究、数值模拟以及理论研究建立了相对统一的钢结构连续倒塌理论与相关设计指导，而有关工程实践则积累了大量的数据经验。在灾害相关类研究方面，以火灾、爆炸为代表的一系列针对性研究成果则进一步推动了中国钢结构抗连续倒塌设计理论体系的发展完善。

同时，中国在钢结构防连续倒塌研究中还存在许多亟待探索和解决的问题，未来进一步的研究方向包括但不限于以下几点：①新型高性能钢材、非常规构造形式的钢结构连续倒塌机理及相关设计指导；②开发改进相对更高效精确的数值计算模型；③基于概率统计，综合考虑诸多不确定性因素的整体风险与性能量化评估；④针对火灾、爆炸等诸多偶然荷载作用后的钢结构的抗连续倒塌加固研究；⑤针对不同偶然破坏荷载的新型抗倒塌防御性设施构件研究开发；⑥统计以往应用数据，分析建立更系统全面的钢结构工程抗连续倒塌设计及防治办法体系。相信经过国内相关专家学者的进一步努力，中国钢结构防连续倒塌安全性能将得到稳步的提高。