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连续性倒塌

梁柱单一构件失效对结构整体稳定性的影响

摘要：

自然灾害和恐怖袭击导致的结构连续性倒塌事件，往往会造成巨大的人员伤亡和社会财富损失，并产生不良的社会影响。

近年来，抗连续性倒塌设计与分析方法的研究越来越受到重视，已成为结构工程界的一个研究热点。

一些国家已经制定了相应的防止连续性倒塌的设计规范，但我国规范中尚无抗连续性倒塌的详细设计方法，还存在各种问题需要解决。

本文对抗连续性倒塌设计与分析的若干基本问题进行了探讨，并以一具体结构模型为例，分析总结了按照我国现行抗震规范设计的钢筋混凝土框架结构的抗连续性倒塌能力。

本文的主要工作如下：

（1）简要介绍了框架结构连续倒塌的研究背景和意义，总结了国内外研究现状以及存在的问题，并说明了本文研究的目的和内容。

（2）对备用荷载路径法使用中所涉及的几个关键问题结合国外规范进行总结和介绍，并指出了其中的注意事项，供研究和设计人员参考并为本文后续的分析工作做了铺垫。

（3）简单介绍了ANSYS软件，说明了ANSYS软件的一般流程。

（4）采用备用荷载路径法中的非线性静力分析方法以一幢7层框架结构为研究对象，分析模型结构在局部构件破坏后的抗倒塌性能。

关键词：

框架结构；连续性倒塌；备用荷载路径法；ANSYS

Abstract:

BuildingprogressivecollapsecausedbyAccidentsandterroristattacks,usuallyleadstogreatcasualtiesandwealthlost,andmayalsohaveabadlysocialimpact.Inrecentyears,moreandmoreresearchefforthasbeenfocusedonthemethodforstructuraldesignandanalysistopreventprogressivecollapse.Progressivecollapseofbuildingstructureshasbecomearesearchhotspotinstructuralengineering.Designcodesforthepreventionofprogressivecollapseareavailableinsomecountries.However,therearenodetaileddesignmethodstoresistprogressivecollapseinChinesecodes.Therearevariousproblemsneedtobesolved.Inthisthesis,somebasicproblemsofdesignandanalysisforresistingprogressivecollapsearediscussed.ThecapacitytoresistprogressivecollapseforRCframestructures,designedaccordingtothecodesforseismicdesignofbuildings,isanalyzedusingaspecificstructuremodel.

Themainworkofthisthesisisasfollows:

（1）Brieflyintroducedthestudybackgroundandsignificanceoftheprogressivecollapseofframestructure,Summarizesthedomesticandforeignresearchpresentsituationandtheexistingproblems,andillustratesthatthepurposeofthisstudyandcontent.

（2）SeveralkeyproblemsconcerningtheuseofSeveralkeyproblemsconcerningtheuseofthealternativeloadpathmethodaresummarizedandintroducedwithreferencetotheforeigncodes,andthenoticeitemsispointedout,providingsomereferencestothestudyanddesignstaffandprovidingabasisforsubsequentanalysesworkofthispaper.

（3）introducedtheANSYSsoftware,illustratesthegeneralflowofANSYSsoftware.

（4）Byusingnonlinearstaticanalysisofthealternativeloadpathmethod,taking

aRCframestructureofsevenlayersasresearchobject,analysistheperformanceofresistprogressivecollapseoftheRCframestructures.

Keywords:

framestructure;ProgressiveCollapse;thealternativeloadpathmethod;

ANSYS

1绪论

1.1研究的背景和意义

结构连续性倒塌是指结构由于突发事件的发生造成结构发生初始局部破坏，继而引起与破坏构件相连的构件连续破坏，最终导致结构的整体倒塌或者大范围的倒塌，然而不同的设计规范对连续性倒塌的定义略有差别。

英国设计规范[1]中定义为：

“Buildingsoffiveormorestories（includingbasementstories）arerequiredtobeconstructedsothat,intheeventofanaccident,thebuildingwillnotsuffercollapsetoanextentdisproportionatetothecauseofthatcollapse”，即：

突发事件发生后，结构局部破坏导致相邻构件失效，这种失效因发生连锁反应而持续下去，最后导致整个结构的倒塌或造成与引起初始破坏的原因不成比例的倒塌；而美国土木工程师协会（ASCE）在《建筑或其它结构最小设计荷载》（ASCE7-05）[2]中定义为：

“Thespreadofaninitiallocalfailurefromelementtoelement,eventuallyresultinginthecollapseofanentirestructureoradisproportionatelylargepartofit”，即：

在正常使用条件下由于突发事件的发生导致结构发生初始局部破坏，破坏从结构初始破坏位置沿构件传递，最终导致建筑物的整体倒塌或者造成与初始破坏部分不成比例的倒塌。

近年来，由于恐怖分子制造的爆炸事件或犯罪分子蓄意纵火引发的爆炸事件不断增加，这些事件以及其它自然灾害和突发事件均可能引发结构发生连续性倒塌。

连续性倒塌的发生一般会造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失，结构的连续性倒塌已成为严重威胁公共安全的重要问题[3]~[5]。

RonanPoint公寓楼位于英国伦敦，建于1966年至1968年间，是一幢22层的装配式钢筋混凝土板式结构体系，承重墙板和楼板皆为预制构件。

这种装配式大板建筑造价低、施工快、建造时间短，各预制板之间的节点仅由齿槽灌浆相连。

1968年5月16日清晨，由于夜间煤气泄漏，该公寓楼18层的一个住户在厨房点火时引起爆炸，直接导致该单元两侧的外墙和局部楼板破坏，上一层的墙板失去支承后同时坠落，坠落的构件依次撞击下层楼板，造成连续性破坏，使得整个高楼的一个角区发生“多米诺骨牌效应”，从顶层一直坍塌到底层，见图1。

事故发生的初始原因为公寓楼的一个单元发生爆炸，初始破坏仅仅是外墙和局部楼板发生破坏，却最终导致此住宅单元及相连的区域从上到下发生连续性破坏。

破坏具有明显的“连续性”和“不成比例性”。

研究发现角区发生倒塌的主要原因是：

结构设计时没有考虑煤气爆炸产生的冲击荷载对结构的作用，并且该结构是预制大板结构，缺乏整体性，连续性和冗余度，在爆炸发生时，墙板被推出去后没有形成一个有效地荷载传递路径来进行内力重分配，造成整个角区发生倒塌。

这一事件的发生，首次引发了研究“连续性倒塌”的高潮，从此，结构工程师开始注意结构由于局部破坏而引发大范围破坏的现象，把这种由于部分结构或者构件的破坏而引起的在水平方向或垂直方向结构的连续性破坏而造成的整个结构或大部分结构的倒塌现象称之为“连续性倒塌”。

图1RonanPoint公寓倒塌

1995年4月19日上午9点美国俄克拉荷马州AlfredP.Murrah联邦大楼[6]遭到恐怖袭击，造成大量的人员伤亡。

此次恐怖事件的爆炸源为一辆满载燃油的卡车，卡车的爆炸直接导致建筑物底层的三根承重柱发生严重破坏，这些柱失效后引起其所支撑的上部转换梁失效，转换梁的失效又引起它所支承的柱子及楼板因支承失效而发生倒塌，如此循环，直到建筑物整个立面发生由下到上的大范围倒塌，见图2。

该大楼发生倒塌的过程具有明显的连续性特征，其顺序是：

底层柱发生破坏—转换梁失效—上部结构发生倒塌，建筑物的大规模破坏是由结构底层一小部分构件失效所引起。

此次事件引发了第二次研究“连续性倒塌”的高潮。

图2Murrah联邦大厦倒塌

2001年9月11日20时45分（北京时间），一架从波士顿飞往洛杉矶的美国航空公司波音767型客机被恐怖分子劫持，以低空飞行撞击世贸大厦[7]北部塔楼接近顶部的位置，这幢大楼被撞去一角，并马上起火。

由于这架飞机所载燃油少，撞击位置较高，在大火燃烧了1小时43分钟后世贸大楼北部塔楼倒塌。

21时03分（北京时间），另一架从波士顿飞往洛杉矶载的联合航空公司波音757型飞机遭劫持，以极快的速度撞击了世贸大楼南部塔楼的中上部，但是这架飞机所载燃油量大，撞击位置比北楼的低，大火燃烧了1小时2分后被

撞的南部塔楼率先倒塌，见图3。

对世贸中心大楼倒塌过程的研究很多，其破坏的主要原因为：

载有大量燃油的飞机高速撞击大楼，引起高温大火，上部的支撑钢架被熔化，导致了上部楼房的坍塌。

当撞击层以上楼层塌落后，又以冲击荷载的形式作用于下部结构，由于荷载的变大而结构强度变小，而且随着塌落楼层的增加，冲击荷载越来越大，导致下部结构连续破坏，形成了“多米诺骨牌效应”。

最终，两撞大楼完全坍塌，造成了3000多人死亡和3050亿美元的经济损失[8]。

世贸大楼遭到重创发生整体倒塌后，对连续性倒塌的研究达到了至高点，引发了第三次研究“连续性倒塌”的高潮。

图3世贸中心大厦倒塌

2004年5月23日清晨，法国巴黎戴高乐机场[9]候机厅发生屋顶坍塌事故，造成包括2名中国公民在内的4人死亡，多名旅客和机场工作人员受伤的严重后果。

发生坍塌的是该候机厅中连接两个停机坪的大型走廊，坍塌的钢筋混凝土顶棚的面积约500m2，法国交通部于7月6日公布的官方调查报告中称，事故是由该候机厅顶棚上的一个穿孔所致，候机厅顶棚与圆柱形金属支柱连接处出现穿孔，正是这一穿孔导致了拱形顶棚中的一个弧形结构出现折痕，连接顶棚外部金属支柱和顶棚间的金属构件也受到了影响，这一金属构件本来负担着顶棚

的重量，但弧形结构上的裂痕使这个构件逐渐穿过了顶棚，不能再支持数十吨重的顶棚，最终导致拱形顶棚发生坍塌。

该报告同时指责修建走廊所使用的水泥质量低劣，拱顶穿孔很可能为先前混凝土质量的逐渐退化所致，见图4。

该建筑体系本身的安全性曾一度遭到专家的质疑。

如果近2000m2的候机厅真的是由于顶棚的一个穿孔所致，那么此结构体系对结构局部缺陷过于灵敏，这也是结构设计师应避免的。

图4戴高乐机场坍塌事故

RC框架结构具有简单的结构形式、明确的传力路径、灵活的建筑平面布置等优点，因而受到普遍欢迎。

在国内外现有结构中都占有相当大的比例。

对于冗余度相对较高的框架结构体系，在历史上发生的大地震和其他意外事故中大都表现出了较好的延性和连续性，具有一定的抵抗连续性倒塌的能力。

但是仍有多次类似上文所叙事故的发生。

现如今建筑结构设计和优化方法日益发展，这使得结构内在冗余度呈减小趋势。

与之相对应的是，建筑结构承受恐怖袭击等偶然事故的概率却有增加的趋势。

鉴于连续性倒塌事故可能导致的后果的灾难性，对重要的RC框架结构进行抗连续倒塌性能分析并提出有利于提高结构抗连续性倒塌能力的措施具有重要的研究意义和应用价值。

1.2国外研究现状

国外学者对连续性倒塌进行了长期的研究。

目前，一些国外规范中已经有关于如何提高结构抗连续性倒塌能力的规定，如英国的BritishStandard[1]、欧洲的Eurocode[10]等；也有国家制订了相应的规范和标准，如美国GeneralServicesAdiministration（GSA）编制的《新联邦大楼与现代主要工程抗连续性倒塌分析与设计指南》[11]和美国国防部（DepatrmentofDefense简称DOD）编制的UFC4-023-03（UnifiedFacilitiesCriteria2005）《建筑抗连续倒塌设计》[12]较为详细的阐述了结构抗连续性倒塌的设计方法及分析流程；日本钢结构协会也编制了抗连续性倒塌的设计规范[13]~[14]。

文献[15]对各国的抗连续性倒塌设计规范进行了对比和总结。

1.3国内研究现状

国内学者对连续性倒塌的研究起步较晚，目前结构设计中还没有反映防范连续性倒塌的要求。

近年来，连续性倒塌已引起了国内学者的关注，学者们在结构抗连续性倒塌领域做了大量工作，在连续性倒塌的定义、设计标准、分析与设计方法和研究进展等方面取得了很大进展。

陈俊岭等[9][16]~[18]对结构二次防御能力进行研究，利用概率论和可靠度的基本理论，指出在偶然作用下进行结构二次防御能力分析时宜采用的荷载效应组合；王保勇[19]~[20]对钢筋混凝土框架结构竖向连续性倒塌机理进行了研究；张素芬[21]编制了考虑材料非线性和几何非线性的非线性静力分析程序，对平面框架结构进行抗连续性倒塌的分析，深入研究了拆除构件后剩余结构的承载机制；杜振辉[22]提出了计算塑性转角的简化公式。

一些学者利用数值模拟方法对建筑结构进行抗连续性倒塌分析。

清华大学的陆新征和江见鲸[23]对世贸大厦的倒塌过程进行仿真分析；苏幼坡等[24]~[26]

对框架结构的抗连续性倒塌进行了分析。

师燕超等[27]~[30]对爆炸荷载作用下的结构的动力响应以及结构连续性倒塌情况进行了研究。

此外，有学者以不同的方式，从不同的角度对建筑结构抗连续性倒塌进行研究。

湖南大学的易伟建和何庆锋[31]采用试验的方法对钢筋混凝土框架结构抗倒塌性能进行研究。

清华大学的钱稼茹和胡晓斌[32]~[33]以单层平面框架和多层钢框架为研究对象，采用瞬时加载法，以需求能力比（DCR）为参数进行了动力弹塑性分析，研究结构由初始破坏引起的动力效应。

张云鹏等[34]研究了考虑初始静力荷载效应的框架结构部分底层柱失效时的瞬时动力响应的问题。

裴先宇[35]研究了底层柱受到冲击荷载作用后框架结构的动力响应的问题，为连续性倒塌的动力分析提供了指导。

李航[36]研究了钢结构高塔的连续性倒塌问题。

1.4国内外研究存在问题

通过学者们的努力，建筑结构抗连续性倒塌的研究取得了较大进展，但是，抗连续性倒塌的研究还存在诸多不足，主要有以下几点：

1、连续性倒塌的理论研究

实际工程中需要利用商业软件对结构连续性倒塌的全过程进行仿真分析，为抗连续性倒塌设计、分析提供依据，因此仿真分析过程中分析模型的选取至关重要，采用不同的分析模型会得到不同的分析结果。

结构的倒塌常伴有梁柱构件的错位崩塌，需要更合理地描述不连续位移场，结构的倒塌必然伴有大位移、大转角和构件间的接触碰撞，这三个问题的解决对于结构倒塌全过程的精确分析缺一不可，然而目前关于连续性倒塌理论研究尚不够深入，还没有提出合理高效地分析模型，因此需要对连续性倒塌理论进行深入研究，为设计、分析结果的准确性打下一定的基础。

2、联系力法的深入研究

联系力设计方法是抗连续性倒塌分析中重要的构造设计方法，目前，仅在国外的设计规范中规定了联系力的计算方法，暂时没有符合我国实际情况的联系力计算方法。

另外对其机理以及施工中的具体措施的研究尚不完善，需要深入研究。

3、柱或承重墙的移除方法的研究

连续性倒塌的初始破坏往往是柱或承重墙的破坏，在对建筑结构进行连续性倒塌分析时，柱或承重墙的移除位置和移除方式对结构响应的影响很大。

如何恰当地模拟柱或承重墙的破坏过程对连续性倒塌分析结果的可靠性有较大的影响。

1.5研究的目的和内容

结构的连续性倒塌已成为严重威胁公共安全的重要问题。

各国学者对连续性倒塌的研究越来越深入，取得了相当的研究成果，以英国为代表的一些国家相继颁布了关于抗连续性倒塌的设计标准和规范。

由于我国在连续性倒塌研究方面的工作开展较晚，至今还没有形成有效的防止结构发生连续性倒塌的规范条文，也没有评估按照我国现行抗震规范设计的钢筋混凝土框架结构的抗连续性倒塌能力的方法，我国目前应用得最多的框架结构的抗连续性倒塌能力如何还没有定论。

基于此，本文借鉴国外的相关研究成果并结合我国的实际情况，通过备用荷载路径法对按中国规范设计的RC框架结构算例进行抗连续性倒塌性能分析。

为工程实践做一定的基础研究工作并为抗连续性倒塌设计提供工程建议。

论文研究内容如下：

（1）简要介绍了框架结构连续倒塌的研究背景和意义，总结了国内外研究现状以及存在的问题，并说明了本文研究的目的和内容。

（2）对备用荷载路径法使用中所涉及的几个关键问题结合国外规范进行了总结和介绍，并指出了其中的注意事项，供研究和设计人员参考并为本文后续的分析工作做了铺垫。

（3）简单介绍了ANSYS软件，说明了ANSYS软件的一般流程。

（4）采用备用荷载路径法中的非线性静力分析方法以一幢7层框架结构为研究对象，分析模型结构在局部构件破坏后的抗倒塌性能。

2结构连续性倒塌分析的备用荷载路径法

2.1引言

备用荷载路径法是利用某种措施“删除”拟定失效构件，进而分析结构在原有荷载作用下发生内力重分布，并逐渐向新的平衡稳定状态趋近或者发生连续性倒塌破坏的方法。

该方法既可以从概念上“删除”失效构件，也可以利用数值模拟或者试验中的爆破方法炸断。

因而，备用荷载路径法的应用范围涵盖了理论分析、数值模拟及试验研究。

备用荷载路径法在应用过程中主要存在以下几个基本问题：

①待移除构件的选择；②荷载组合的选择；③分析方法的选择；④评价准则的选择。

这几个方面相互关联，构成了备用荷载路径法的整个分析流程。

2.2待移除构件的选择

根据美国GSA[21]（theGeneralServicesAdministration）规范，对于典型的结构，失效单元可能发生的部位是：

（1）建筑物外围长边靠中央的一根柱失效；

（2）建筑物外围转角处的一根柱失效；

（3）建筑物外围短边靠中央的一根柱失效；

（4）建筑物内部的一根柱失效。

2.3荷载组合的选择

各国结构抗连续性倒塌规范对抗连续性倒塌设计时所取用的荷载组合都有所规定，其中以美国规范最具代表性。

对于GSA2003，有关荷载组合的规定如下:

动力分析时结构采用的荷载组合为：

Load=DL+0.25LL

（1）

式中DL—恒荷载标准值；

LL—活荷载标准值。

静力分析时结构采用的荷载组合为：

Load=2（DL+0.25LL）

（2）

“2”是考虑动力效应时的荷载增大系数。

在动力分析时所有区域均施加（DL+0.25LL）的荷载组合；而在静力分析时荷载组合所施加的区域并没有明的

指出。

2.4分析方法的选择

备用荷载路径法的应用根据是否考虑结构非线性与动力效应，可通过以下四种分析方法来实现：

①线弹性静力分析；②非线性静力分析；③线性动力分析；④非线性动力分析。

因本文采用非线性静力分析，下面主要介绍非线性静力分析法。

非线性静力分析方法被广泛应用于结构抗震弹塑性分析中，即常说的Pushover分析方法，它可以对结构体系进行全过程非线性分析。

目前，常采用插入集中塑性铰的方式来处理框架结构中的非线性问题，并在塑性铰发展到一定程度时认为构件整体失效。

该方法可以通过荷载控制即逐步增加荷载直至达到控制荷载或计算结果不收敛；还可以通过位移控制即逐步增加位移直至达到控制位移或计算结果不收敛，采用Pushover方法可以评价承受水平作用的结构的承载能力和延性性能。

与建筑结构抗震静力弹塑性分析相类似，在结构进行抗连续性倒塌能力分析中，也可相类似地采用竖向Pushover分析方法。

该方法的主要步骤是：

①先移除完整结构中要拆除的竖向构件；②在剩余结构上以考虑了动力放大系数的荷载组合为比例从零开始逐渐加载直至达到控制荷载或控制位移或计算结果不收敛。

从而实现了全过程的静力非线性分析；③对静力非线性分析结果按照一定的评价准则进行评价。

非线性静力分析方法用于结构抗连续性倒塌分析可以考虑结构材料的非线性，但是分析相对复杂、计算耗时、结果偏保守而且无法考虑结构的动力效应，因此对复杂结构的应用仍存在一定的局限性。

2.6评价准则的选择

根据GSA规范，采用DCR评估单元塑性能力的分布及其大小，即

DCR=QUD/QCE（3）

式中QUD是指按线弹性静力分析后单元或节点的作用力（弯矩、轴力、剪力或者组合内力）；

QCE是指构件、连接或节点所能承受的极限弯矩、轴力、剪力或者组合内力。

若DCR值大于2，则认为构件失效。

考虑到快速施加荷载时结构强度和塑性能力的提高，采用强度提高系数。

对钢筋混凝土结构，该系数可以提高到1.25。

3框架结构连续性倒塌分析在ANSYS中的实现

ANSYS软件是一套功能强大的有限元通用分析程序，具有强大的前处理、求解和后处理能力，融结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的偶合分析与一体。

目前广泛应用于航空航天、汽车、船舶、土木、电子、机械等应用领域。

ANSYS把CAD、CAE技术集成于一身，可以满足用户从设计、计算、制造全过程的使用要求。

一般而言，ANSYS的基本分析过程可以分为三步，即前处理、施加荷载、设置求解参数并求解、后处理。

前处理主要在前处理器中完成，包括有限元模型创建等。

前处理的主要任务是建立结构分析的有限单元模型，它是结构分析的开始，一般步骤为：

（1）定义单元以及材料类型

（2）建立几何模型（3）进行网格的划分（4）杀死单元模拟柱的失效

施加荷载与求解主要在求解器中完成，主要操作包括：

定义自由度、施加荷载、设定分析类型以及求解等。

施加荷载与求