建筑结构连续倒塌与整体坍塌不同。前者主要表现为局部破坏在结构系统内的传播使得小范围的初始破坏造成大范围的结构倒塌;后者指建筑结构整体从其原有位置向下塌落或倾倒的破坏。建筑结构连续倒塌的典型案例是美国俄克拉何马市艾尔弗雷德·P·默拉[注]联邦政府办公大楼遭汽车爆炸袭击后发生大面积连续倒塌。由图可以看出,在汽车爆炸袭击引起的爆炸荷载作用下,4根底层柱首先失效,最终导致建筑迎爆面10跨中的8跨连续倒塌。
地面建筑物抗连续倒塌结构设计
针对结构局部某个关键构件(如底层柱子)的破坏导致相邻构件失效继而引发更多结构构件的破坏。最终导致结构整体或局部倒塌连锁反应的设计。引起结构连续倒塌的原因可能为恐怖爆炸或意外爆炸、撞击、火灾或地震等。
- 英文名称
- design of structures to resist progressive collapse
- 所属学科
- 土木工程
结构连续倒塌分析是抗连续倒塌设计的基础,主要有两类分析方法。①不考虑引起结构连续倒塌的原因,最具代表性的有拆除构件法,也叫替代传力路径法,是建筑结构连续倒塌分析中最常用的方法。2001年美国“911”事件之后,替代传力路径法逐渐被美国总务管理局(US General services Administration; GSA)和美国国防部(US Department of Defense; DOD)所采用,并写入结构连续倒塌设计和分析导则中。这类方法通常从删除掉结构的关键构件开始,进而对结构可能的连续倒塌进行模拟分析。依据分析方法的不同,分为线性静力分析、非线性静力分析及非线性动力分析。②考虑引起结构连续倒塌的原因,典型的方法为直接动力法。以爆炸荷载作用下建筑结构的连续倒塌分析为例,直接动力法直接对炸药的爆轰,爆炸波的传播,爆炸冲击波与结构的相互作用以及在爆炸荷载作用下建筑结构的动态响应、损伤破坏及连续倒塌的全过程进行模拟。通常,直接动力法能够对建筑结构在爆炸作用下导致的连续倒塌进行准确可靠的模拟。然而该方法过于繁杂,并不适合在工程设计计算中推广应用。为此,世界各国学者提出了许多简化分析方法,包括子结构法、多尺度法和高效分析模型等。
结构防连续倒塌设计应保证结构在爆炸荷载作用下不因结构关键构件失效而发生连续倒塌。①应进行概念设计并采取合理的构造措施,保证结构的整体性、延性和冗余度。②根据建筑的重要性等级和抗爆设防类别,选择合理的分析方法,对建筑结构进行防连续倒塌分析与设计。
结构抗连续倒塌概念设计方法包括:①提高建筑的安全防护距离或设置防爆墙等,降低结构关键构件承受的爆炸荷载或避免结构关键构件直接承受爆炸荷载。②增加结构替代传力路径,提高结构冗余度。③优化结构布置或增强连接性能等,提高结构整体性。④合理划分结构区域,控制结构可能的破坏范围等。
结构抗连续倒塌设计常采取下列构造措施:①混凝土结构梁柱刚性连接,梁柱节点域梁下部配置连续贯通的抗拉钢筋,在梁内有可靠连接或锚固。②钢结构梁柱节点采用刚性连接,且梁端具有转动变形能力。