结构抗连续倒塌设计规定及措施

早在30多年前，人们就开始了对结构连续倒塌的研究，但是开始并没有受到相当的重视，直到2001年美国发生“911”事件——世贸中心双塔遭遇恐怖袭击而发生连续倒塌，结构连续倒塌研究才被引起广泛的关注和应有的重视。结构连续倒塌的概念已经逐渐被明确，各个国家规范指南对结构连续倒塌的概念不尽相同，但是描述的意思基本一致。结构连续倒塌定义为：结构因偶然荷载造成结构局部破坏失效，继而引起与失效破坏构件相连的构件连续破坏，最终导致相对于初始局部破坏更大范围的倒塌破坏。
1 结构抗连续倒塌概念设计
总结从众多工程实例和以往学者的研究成果，笔者认为结构的抗连续倒塌性能与其坚固性、超静定性、整体性、延性密切相关。
（1）结构的坚固性体现在结构从构件到整体结构的承载力上，也是常规结构设计中结构抵抗一般荷载的一个重要设计指标。增强结构的坚固性可以提高结构构件所能承受的应力水平，减少结构承受偶然荷载作用时的破坏范围以及当局部构件失效后增强剩余结构的跨越能力，有效减少结构发生连续倒塌的可能性。保证结构的坚固性主要途径是通过材料强度和构件尺寸来把握。
（2）超静定性是指超静定结构存在多余约束的程度。多重荷载路径设计方法已经成为目前抗连续倒塌设计方法的主流方法，该方法是在“拿掉”某承重构件失效后验算剩余结构的跨越能力，这种设计方法意味着结构必须存在多余约束才具备抗连续倒塌能力，所以超静定性成为抗连续倒塌设计的重要考虑因素。同时在增加结构超静定性时要注意考虑传力直接、明确、有效。
（3）结构抗连续倒塌设计与常规的结构设计相比提高了对安全等级的要求，对结构的整体性要求也更高。保证结构的整体性，除了结构保证有坚固性和超静定性外，结构构件与构件的连续性显得尤为重要。由于结构抗连续倒塌考虑到承重构件失效的情况，对考虑失效承重构件上梁的连接处要求有更好的连续性。
（4）延性使结构在达到极限承载力前具有充分发展弹性和塑性变形的同时吸收大量能量，这种性能特别有利于结构抗爆、抗冲击性能，避免了脆性破坏，减缓了局部构件失效时的动力效应。另外，当结构产生局部构件失效后，必然会引起剩余构件某些局部的应力大幅增大，此时，延性好的结构在多重荷载路径下具有较强的变形能力，耗能的同时达到内力重分布，应力较大的区域实现应力有效转移，充分发展材料强度剩余结构自身可以更好地找到有效传力路径。同时，结构在破坏之前较大的变形给人们提供了先兆，延长了人员逃生的时间。
在结构抗连续倒塌设计中，以上所述“四性”应该是要统一起来兼顾考虑，如果忽略某一方面将造成结构抗连续倒塌性能上的严重缺陷，过分强调某一方面的设计必将带来不经济的后果甚至不能达到增强结构抗连续倒塌性能的预期目的。
2防止结构连续倒塌措施
结构连续倒塌事故在国内外已经不为鲜见，结构抗连续倒塌设计日益受到社会的关注，防止结构连续倒塌成为一个主要的课题。基于偶然事件发生后导致结构发生连续倒塌事件是一个多过程连续进行事件，结构连续倒塌发生的概率可以表述为：

其中，F为结构发生连续倒塌事件；D为结构产生局部构件破坏事件；P(AB)为偶然事件AB发生的概率； 为偶然事件发生后结构局部产生构件失效的概率； 为偶然事件发生后结构局部产生构件失效的条件下发生连续倒塌事件的概率；P（F）为结构在各种可能的偶然事件下发生连续倒塌的总概率。所以防止结构发生连续倒塌的措施可以在多方面入手。
（1）控制偶然事件。
（2）防止偶然荷载作用下局部构件的失效。按照结构抗连续倒塌设计标准，允许局部构件在偶然荷载作用下发生破坏，但对于某些一旦失效将会直接导致大面积结构或者整体结构的倒塌的构件，这类构件称为关键构件。对关键构件的判断需要结构工程师从对整体结构的分析来把握。
（3）结构体系布置。根据前面的描述，对于需要重点保护、安全等级要求较高的建筑结构，从建筑方案设计和结构体系布置就应该考虑增强其坚固性、超静定性、整体性和延性。因为结构的体系布置与其抗连续倒塌“四性”都密切相关。为了达到局部构件失效时结构能够形成有效的传力路径，结构可以适当采用布置斜支撑形式的结构体系。
（4）材料选用。考虑采用强度较高和延性较好的材料，增强结构的抗力水平和塑性变形、内力重分布能力。
（5）构造措施。结构在局部构件失效的情况下受力与常规设计不同，对结构的构造要求不同。在钢结构中，GSA结构抗连续倒塌设计准则中已经详细给出了各种钢结构节点的构造要求详图，此处不做详细分析。对于钢筋混凝土结构，根据构件失效后剩余构件的受力情况，在满足结构常规设计的要求后，对钢筋布置和锚固再做如下建议：
①连续梁底筋通长布置；②边梁底筋支座锚固：对带肋钢筋不少于12d，对光圆钢筋不少于15d，此处d为受力钢筋直径。③梁支座面筋长度。梁面筋长度不小于考虑一根柱子失效形成复合跨度计算长度的1／4倍。④当考虑局部承重构件失效后，与其相连的梁首当其冲，内力和变形相应大幅增大，可能会相继失效。经验算被判定为失效的梁，则需从结构中“拿掉”，为了保证失效梁梁端出现塑性铰但不致倒塌，对其还需进行混凝土退出工作后梁端截面全部纵筋承受拉力作用的验算，按式V≤0.75fyAs进行计算。其中，V为承重构件失效后按荷载组合准则算得的梁端剪力；fy为梁纵筋抗拉标准强度设计值；As为梁端截面满足锚固长度的全部纵筋面积
3结  语
结构抗连续倒塌是目前全世界结构工程师共同面对的重要课题，本文总结了目前国外多个结构抗连续倒塌设计准则，对结构抗连续倒塌概念设计方法做了一定分析，提出了防止结构发生连续倒塌的相关措施：
（1）结构的坚固性、超静定性、整体性、延性跟结构的抗连续倒塌性能密切相关，在结构抗连续倒塌设计中，“四性”应该统一起来兼顾考虑。
（2）防止结构发生连续倒塌可以从控制偶然事件、防止偶然荷载作用下局部构件的失效、结构体系布置、材料选用、构造措施等方面来把握和保证。
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