建筑结构抗连续性倒塌能力分析方法
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摘要：目前的许多国外规范对避免结构发生连续倒塌设计的构造措施均有介绍，其核心策略都是通过提高结构的冗余度、连续性和延性，增强整个结构体系的整体性，使结构具备悬链作用和“搭桥”能力，能为偶然作用破坏后的结构能提供替代传力路径，以将倒塌破坏控制在可接受的范围内，达到防止建筑整体倒塌的目标。但如何用计算的方法定量地避免建筑结构发生连续倒塌在已发行的倒塌规范中都未涉及，是当前建筑结构倒塌研究的热点。
Abstract: Many foreign norms progressive collapse design of structural measures to avoid structure are introduced, its core strategy is to enhance the integrity of the entire structural system redundancy to improve the structure, continuity and ductility, the structure have catenary role and the ability to "bypass", for the occasional role in the destruction of the structure can provide an alternative load path, the collapse of control within the acceptable range, to prevent the goal of the whole building collapsed. But quantitatively how to use the method of calculation to avoid the building structure did not include the progressive collapse occurs in the specification issued collapse, is the hot spot of the current building structure collapsed study.Key words: building structure; resistance to progressive collapse; analysis method
中图分类号：TU3文献标识码：A 文章编号：
1.一般规定
根据国外已有建筑结构抗连续倒塌设计规范与相关抗倒塌设计研究成果，并结合我国混凝土结构设计规范的实际情况和建筑抗连续倒塌设防目标，综合国内外大量倒塌分析研究，目前适合我国钢筋混凝土框架结构抗连续性倒塌的设计方法主要包括间接设计法、直接设计法及事件控制法。间接设计法实际上指一些概念性的设计措施，通过提高结构的冗余度、连续性和延性，增强整个结构体系的整体性，从而达到增强建筑防连续倒塌的性能，此法包括拉结强度法;直接设计法则通过改变荷载传力路线的方法来分析或设计结构的抗倒塌能力，含拆除构件法和关键构件法两种;事件控制法即采取某些措施消除引发结构连续性倒塌的原因。
2.概念设计法
国外抗倒塌规范和设计导则如GSA、DoD等均强调了建筑抗连续倒塌设计采取概念性措施的重要性。国内外一系列倒塌研究表明，对于充分考虑地震荷载和风荷载进行结构设计的建筑，其自身已具有良好的延性和整体性，在一定程度上能有效防止连续倒塌的产生。所以，在此结构设计的基础上采取一些针对偶然事件的概念性措施，不仅不会增加过多的建筑造价，还能取得良好的抗倒塌效果。一般包括以下几种措施:
（1）合理有效的平面布置，避免在建筑物的外表面设置薄弱部位；
（2）加强构件间的连接，保证结构体系的连续性和整体性；
（3）选取延性材料，采用延性构造措施，避免发生脆性破坏；
（4）增加结构垂直方向和水平方向受力体系的冗余度，提供多荷载传力路线；
（5）楼板及梁的抗拉薄膜和悬链作用；
（6）使内隔墙具备承受横向荷载的能力。
3.拉结强度法
通过已有构件和连接对结构进行拉结，可为建筑结构提供多重荷载传力路线以及整体的坚固性，此方法可归类为一种量化的概念设计法。我国混凝土结构设计规范GB50010在第3.1.6条的说明中有一些简单的对拉结的概念及作用的描述，但未涉及具体规定。对于钢筋混凝土结构来讲拉结强度法可分为内部拉结、对外墙或外柱的拉结、周边拉结以及纵向拉结4种类型，如图1所示。对于各类拉结法，设计均要求传载路径明确、连续，同时需对结构进行拉结强度验算。一般来讲，结构选用的材料不同，对拉结强度的要求也存在差异。例如对于内部拉结，英国倒塌规范中钢结构的内部拉结强度与间距和拉结跨度有关，而在混凝土结构中则与拉结跨度和结构层数有关。
拉结强度法计算简便，能在一定程度上确保结构整体性和连续性的要求。但据近期AbruzzoJohn等人研究发现，即便是符合美国 DoD2005导则中的拉结强度要求和现行美国混凝土规范 ACI318一02中的整体性规定，结构在抵御连续倒塌方面仍存在明显的缺陷。如若涉及到不规则造型的结构设计，此法很难被设计者有效的理解并加以采用。
图1 框架结构拉结示意图
4.拆除构件法
拆除构件法是根据预设的失效准则有选择地将结构中的某根关键构件(如扫、承重墙等)拆除，以模拟结构因偶然事件产生的初始破坏，并通过有限元法对剩余结构体系的强度进行分析，判断其能否提供有效的替代传载路线，结构是否会发生连续倒塌破坏，因此也称“替代路径设计法”。
拆除构件法注重的是结构自身抗力的分析，研究的对象是已移除破坏构件的剩余结构，不计入意外事件对其它构件的影响，其分析过程不针对特定偶然事件来对结构进行特殊的防倒塌设计，而是希望通过结构体系自身的能力来阻止或控制倒塌破坏的传播和扩散。拆除构件法能够比较准确地对建筑结构的倒塌全过程进行模拟，并能较好地对结构抗连续倒塌的能力进行评估。
4.1基于非线性动力时程分析的拆除构件法
目前模拟建筑结构连续倒塌全过程最为合理的方法就是非线比动力时程分析计算法。为了达到倒塌模拟的目标，需要计算程序能综合考虑倒塌过程中不连续位移场的描述，结构构件的大转动和大位移，甚至建筑倒塌结构构件之间相互接触、碰撞的动态效应等问题。而现有结构分析软件，特别是在模拟钢筋混凝土结构的倒塌全过程方面，在处理上述难点时都有一定困难。
4.2基于线弹性静力计算的拆除构件设计
非线性动力时程法虽然能够比较准确地模拟结构倒塌的过程，但其计算难度高，需耗费更多时间和资源，对研究人员计算机水平要求高。故国外倒塌规范在非线性动力时程分析的基础之上，提出了简化的基于线弹性静力计算的拆除构件法。
非线性动力分析综合考虑了结构的非线性和动力效应，而线弹性静力分析法则通过构件强度折减系数和动力放大系数A加以近似考虑，具体的分析设计流程如下所示:
（1）建立结构的三维线弹性分析模型，按照规范或导则规定的构件拆除顺序，将竖向构件逐一从结构中移除；