结构连续倒塌的研究意义与现状

结构连续倒塌的研究意义与现状作者：赵仕钗来源：《城市建设理论研究》2013年第31期摘要: 近年来，国内外连续倒塌事件的频繁发生引起了土木工程师越来越多的关注。

为有效提高结构安全性能而对结构进行抗连续倒塌性能分析的研究，成为一项迫在眉睫的任务。

目前该领域的研究主要集中在RC框架结构和钢框架结构，主要采用四种分析方法研究得到的结构抗连续倒塌性能结果进行对比，得出了研究框架结构抗连续倒塌性能的更适用方法。

关键词：抗连续倒塌；非线性静力分析；非线性动力分析Abstract: In recent years, the frequent occurrence of progressive collapse at home and abroad has gained more and more attention from the structural engineers. It has become an urgent task to analyze the relevant progressive-collapse-resisting performance for improving the structural safety. Most of the current research regarding progressive-collapse-resisting capacity has been focusing on the reinforced- concrete- and steel- frame structures. The progressive collapse capacity is analyzed by four methods. The results on the progressive collapse capacity obtained from the four analysis approaches are compared, and the method appropriate for analyzing the progressive collapse capacity is presented.Keywords: resisting progressive collapse; nonlinear static analysis; nonlinear dynamic analysis 中图分类号：TU318 文献标识码：A研究背景及意义自1968年Ronan Point公寓由于煤气爆炸引起公寓发生连续倒塌事件之后，引起了很多学者对结构倒塌事件的关注，从此一些研究学者在科研研究中开始引进新名词为连续倒塌。

经过多次对连续倒塌的定义进行修订，最终将连续倒塌定义为[1]：由于结构局部构件破坏，引起一系列结构构件不成比例的破坏，最后导致结构系统大部分或整体发生倒塌。

近年来，国内外的道路、桥梁工程发生了多次连续倒塌事件，造成了大量的人员伤亡和巨大的经济损失。

目前造成连续倒塌事件的发生有很多原因，主要是施工工艺不当、设计不合理、撞击荷载、爆炸荷载、地震荷载、结构材料性能不合格等，这些都具有偶然性，但是却给我们人类带来了巨大的损失。

国内外研究现状2.1结构连续倒塌相关规范规程自1995年联邦政府办公楼倒塌、2001年世贸双塔倒塌后，工程界人员开始对结构连续倒塌事件广泛重视，对结构设计标准进行了多次调整及修订。

美国编制的GSA2003[1]和DoD2010[2]，它们是目前抗连续倒塌设计较为专业的规范，详细地阐述了如何防止结构连续倒塌设计方法和结构连续倒塌性能分析的流程，能够很好的运用到实际工程中。

我国近年来发生多次连续倒塌事件,我国迫切需要对结构连续倒塌性能分析方法和对提高结构抗连续倒塌能力等方面进行研究。

在结构倒塌方面,我国起步较晚,目前还未对建筑结构连续倒塌方面发布相关规范。

将各国有关倒塌规范归结起来，主要有三种结构抗连续倒塌设计方法：拉结强度设计法、拆除构件法、关键构件法。

拉结强度设计法主要是提高结构连续性、延性和冗余度，从而降低结构发生连续倒塌现象的可能性。

拆除构件设计方法是指把失效的竖向构件拆除后，在原有竖向荷载作用下结构发生内力重分布现象，剩余结构具有跨越能力从而保证结构不发生大范围的倒塌破坏。

关键构件设计方法是通过相应的措施保证关键构件具有足够的强度从而降低结构发生连续倒塌现象的概率。

2.2国外研究现状目前对国外学者框架结构连续倒塌性能研究主要是考虑柱失效的位置、失效时间、结构布置等。

Mckay等 [3]建立了框架结构有限元分析模型，运用备用路径法分析结构连续倒塌性能，主要是在分析过程中采用荷载增大系数考虑结构动力效应和非线性效应，分析了荷载增大系数大小对连续倒塌性能分析结果的影响。

得出采用现有倒塌规范GSA2003中的静力方法比较保守的。

Kim和Park[4]建立了空间钢框架结构有限元分析模型，采用非线性分析方法对结构进行连续倒塌性能研究。

在分析过程中主要是通过改变主梁的尺寸，增强结构的延性，从而避免结构发生连续倒塌现象。

Kim等人[5]运用备用路径法对钢框架结构的抗连续倒塌性能进行研究。

采用线性静力和非线性动力方法对结构连续倒塌性能分析，得出结论是采用线性静力分析方法对结构连续倒塌性能分析的结果相对保守。

Kim等人[6]运用竖向Pushdown分析方法对空间钢框架结构进行抗连续倒塌性能研究，主要研究了结构的层数和跨度对结构连续倒塌性能的影响，得出结构跨度越大，结构越易发生倒塌现象；结构层数相对影响小。

Kim等人[7]~ [10]通过采用非线性分析方法对倾斜和扭曲不规则建筑结构、筒体结构、带有斜撑的框架结构进行抗连续倒塌性能研究，得出对结构连续倒塌性能的影响因素。

2.3国内研究现状目前国内学者主要是按照美国连续倒塌设计规范，对钢框架及钢筋混凝土框架结构进行连续倒塌性能研究。

考虑框架柱失效的位置、框架柱失效的时间、结构材料性能等。

通过各种分析方法对现有倒塌规范的静力分析方法采用的荷载增大系数验证。

王铁成和刘传卿[11]建立了十层钢框架有限元分析模型，采用动力分析方法对局部构件破坏后的结构进行动力特性研究。

得出结论是局部构件失效时间是影响结构连续倒塌性能的主要因素，而结构材料特性影响较小，特别是材料的强化模量。

江晓峰[12]主要研究大跨桁梁结构的连续倒塌性能，基于有限元分析方法研究了结构发生连续倒塌的根本原因，并提供了能够有效提高结构连续倒塌性能的设计方法；基于对程序二次开发精确模拟了结构连续倒塌过程，包括不连续的变形；得到钢屋架结构体系安全性能的评估方法为线性静力方法，并对该方法进行验证。

谢甫哲等人[13]分析框架结构体系连续倒塌性能，主要考虑柱的失效时间和失效位置。

给出了采用非线性动力分析方法对结构倒塌性能研究是失效时间的取值；柱失效位置对结构倒塌性能影响较大。

胡晓斌等人[14]建立了多层平面钢框架结构模型，采用线性及非线性静力和非线性动力分析方法对结构连续倒塌性能分析，该分析过程中涉及到三个问题：移除杆件的选择、构件破坏评价准则、结构倒塌评价准则。

结果表明非线性动力分析方法对结构连续倒塌性能分析较为准确。

连续倒塌分析过程中关键问题的研究现状线性及非线性静力分析、线性及非线性动力分析方法，这四种分析方法可以用于结构连续倒塌相关研究，但是准确的分析结果是连续倒塌设计和评估的重要前提。

不同的分析方法和偶然荷载对结构连续倒塌性能分析结果是有影响的，主要表现在以下各个方面：1）准确的模拟在偶然碰撞荷载作用下和地震作用下结构的反应，存在的问题是如何对该荷载更准确有效的模拟。

2）准确模拟实际工程中的倒塌全过程，存在的问题是如何对结构发生破坏后会出现不连续、大变形阶段的模拟。

3）目前我们通常基于构件拆除法对结构进行连续倒塌性能分析，存在的问题是如何准确判断整个结构中的构件那些构件为关键构件。

4）研究表明，失效柱的位置不同对结构抗连续倒塌性能影响较大。

因此，深入并定量研究不同位置的柱失效对结构抗连续倒塌性能的影响是很有必要的。

总结本文对连续倒塌研究的现状进行概述，得出以下结论：目前做有关连续倒塌的研究，主要参考美国的GSA2003与美国DoD2010规范。

目前对框架结构的连续倒塌研究较多，主要是研究不同框架柱失效对结构连续倒塌性能的影响。

参考文献：GSA2003. Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Projects[S]. U.S. General Service Administration, 2003.DoD2010. Unified Facilities Criteria: Design of Structure to Resist Progressive Collapse[S]. U.S. Department of Defence, 2005.A. E. McKay. Alternate Path Method in Progressive Collapse Analysis: Variation of Dynamic and Non-linear Load Increase Factors[M]. ProQuest, 2008.J. Kim, J. Park. Design of Steel Moment Frames Considering Progressive Collapse [J]. Steel and Composite Structures, 2008, 8(1): 85-98.J. Kim, T. Kim. Assessment of Progressive Collapse-resisting Capacity of Steel Moment Frames[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2009, 65(1): 169-179.作者简介: 赵仕钗(1987-)、女、河南濮阳人、硕士、研究方向为防灾减灾。