結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法分析PPT課件

1、1、概述概述 定義：定義：結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是指由于偶然意外荷載和作用造成結(jié)構(gòu)的局部破壞，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非穩(wěn)定的連續(xù)性破壞發(fā)展。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：與一般結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震等防災(zāi)設(shè)計(jì)中注重的整個(gè)完好結(jié)構(gòu)抵御災(zāi)害荷載的能力不同，結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)中考察的是因意外事件導(dǎo)致部分構(gòu)件失效退出工作后，剩余結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。第1頁/共34頁 國(guó)內(nèi)外具有重大影響力的連續(xù)倒塌事件國(guó)內(nèi)外具有重大影響力的連續(xù)倒塌事件1、俄克拉荷馬聯(lián)邦大樓（Alfred P.Murrah）倒塌 事件（1995年4月19日）2、美國(guó)世界貿(mào)易中心大樓（WTC）倒塌（2001年9月11日）3、湖南衡陽大廈特大火宅倒塌事件（2003年11月5日）第2頁

2、/共34頁2 2、引起結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的原因分、引起結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的原因分析析引起結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的原因有很多，總結(jié)起來大致可分為偶然因素、設(shè)計(jì)和建造過程中的人為因素以及頻發(fā)的地震作用等幾類。 第3頁/共34頁2.1 2.1 偶然因素偶然因素偶然作用是導(dǎo)致建筑物發(fā)生連續(xù)倒塌的最主要原因。我國(guó)工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB50153中對(duì)偶然作用有明確的定義，即在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)不一定出現(xiàn)但一出現(xiàn)其能量值就會(huì)很大且持續(xù)時(shí)間很短的作用，如爆炸、撞擊、戰(zhàn)爭(zhēng)等。 最典型最具影響力的例子就是2001年9月11日發(fā)生在美國(guó)紐約的世貿(mào)大樓連續(xù)倒塌事故。第4頁/共34頁紐約世貿(mào)大廈紐約世貿(mào)大廈20012001年年9

3、 9月月1111日遭恐怖襲擊倒塌日遭恐怖襲擊倒塌現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)第5頁/共34頁2.2 2.2 人為因素人為因素這里所指的人為因素主要是設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)失誤以及施工人員的違章操作等；1995年韓國(guó)漢城三豐百貨公司的倒塌就是由于設(shè)計(jì)人員的失誤造成。在我國(guó)，施工人員主要是農(nóng)民工，由于沒有嚴(yán)格的上崗考核制度，使得我國(guó)的結(jié)構(gòu)安全存在很大的隱患。人為因素具有可避免性，因此各相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)力度予以避免。第6頁/共34頁漢城三豐百貨倒塌事故現(xiàn)場(chǎng)第7頁/共34頁2.3 2.3 地震作用地震作用由于在地震作用下結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性大變形，造成構(gòu)件失穩(wěn)，使得傳力路徑失效從而引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。如2008年汶川大地震，即造成了23

4、00多萬間房屋損壞，其中倒塌的房屋就多達(dá)650萬余間的結(jié)果。第8頁/共34頁2.4 2.4 連續(xù)倒塌的本質(zhì)原因連續(xù)倒塌的本質(zhì)原因 由于破壞力作用下結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性大變形，構(gòu)件失穩(wěn)或者造成部分承重構(gòu)件失效，傳力途徑失效引起連續(xù)倒塌: R S第9頁/共34頁 3.1 英國(guó)規(guī)范英國(guó)是世界上最早提出抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的國(guó)家。英國(guó)規(guī)范主要通過下面三個(gè)準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì):準(zhǔn)則一:結(jié)構(gòu)遭受偶然荷載作用后的整體穩(wěn)定性應(yīng)該通過結(jié)構(gòu)內(nèi)部拉結(jié)體系來保障。3 3、國(guó)內(nèi)外國(guó)內(nèi)外RCRC結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)程程第10頁/共34頁準(zhǔn)則二:多重荷載路徑設(shè)計(jì)法，該方法要求結(jié)構(gòu)工程師通過瞬間“去掉”某根構(gòu)件來模

5、擬該構(gòu)件失效，并保證“去掉”構(gòu)件后，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生過大范圍的破壞。準(zhǔn)則三:從整體結(jié)構(gòu)中分析出關(guān)鍵構(gòu)件（某構(gòu)件失效時(shí)其上部不能形成跨越能力時(shí)，這個(gè)構(gòu)件就是關(guān)鍵構(gòu)件），抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對(duì)這類構(gòu)件進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。第11頁/共34頁3.2 歐洲規(guī)范Euro code 1 規(guī)定，建筑物應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度、剛度和整體性來抵抗意外荷載的影響。表3.1 Eurocode 1中建筑安全等級(jí)分類及相應(yīng)設(shè)計(jì)方法建筑安全等級(jí)低重要性次重要性重要較高重要性設(shè)計(jì)方法不需特別設(shè)計(jì)水平拉結(jié)強(qiáng)度法水平豎向拉結(jié)需風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估拆除構(gòu)件法關(guān)鍵構(gòu)件法第12頁/共34頁3.3 美國(guó)國(guó)防部（DoD）DoD主要應(yīng)用在國(guó)防建設(shè)方面。DoD按照建筑物

6、發(fā)生連續(xù)倒塌的概率，不同安全等級(jí)的建筑對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)方法，如表3.2所示：表3.2 DoD2005中建筑安全等級(jí)分類及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法建筑物發(fā)生連續(xù)倒塌的概率較低低中高相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法水平拉結(jié)強(qiáng)度法水平、豎向拉結(jié)強(qiáng)度法，若不足則用拆除構(gòu)件法拆除構(gòu)件法和拉結(jié)強(qiáng)度法分別分析，均滿足即可拆除構(gòu)件法和拉結(jié)強(qiáng)度法分別分析，均滿足即可第13頁/共34頁3.4 國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)方法 目前國(guó)內(nèi)對(duì)于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌分析的設(shè)計(jì)方法主要包括了概念設(shè)計(jì)、拉結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和拆除構(gòu)件設(shè)計(jì)以及加入非線性動(dòng)力分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算等。表3.3 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法的要求建筑物的重要性概念設(shè)計(jì)拉結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)拆除構(gòu)件設(shè)計(jì)普通結(jié)構(gòu)是重要結(jié)構(gòu)是是非常重

7、要結(jié)構(gòu)是是是第14頁/共34頁4 4、抗連續(xù)倒塌主要設(shè)計(jì)方法、抗連續(xù)倒塌主要設(shè)計(jì)方法目前，國(guó)外一些國(guó)家已經(jīng)有了針對(duì)防止結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和指南，如英國(guó)的British Standard、美國(guó)公共事務(wù)管理局編制的聯(lián)邦政府辦公樓以及大型現(xiàn)代建筑連續(xù)倒塌分析和設(shè)計(jì)指南（GSA 2003）、美國(guó)國(guó)防部編制的建筑抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)（DoD）、加拿大的NBCC、歐洲的Eurocode1和日本的鋼結(jié)構(gòu)控制倒塌設(shè)計(jì)指南等。歸結(jié)起來，主要如下三種設(shè)計(jì)方法:第15頁/共34頁4.1 拉結(jié)強(qiáng)度法拉結(jié)強(qiáng)度法是通過結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的構(gòu)件或連接將結(jié)構(gòu)進(jìn)行“捆綁”，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的連接性、延性和冗余度來保證結(jié)構(gòu)在經(jīng)受偶然荷載后

8、具有較好的結(jié)構(gòu)整體性。按照拉結(jié)的位置和作用可分為內(nèi)部拉結(jié)、周邊拉結(jié)、對(duì)墻/柱的拉結(jié)以及豎向拉結(jié)四種類型（如圖4.1）拉結(jié)強(qiáng)度法對(duì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性很有幫助，可很好地提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的能力。第16頁/共34頁圖4.1 拉結(jié)示意圖第17頁/共34頁4.2 拆除構(gòu)件法拆除構(gòu)件法是指將初始失效的豎向支撐構(gòu)件“拿掉”后結(jié)構(gòu)在原有荷載作用下發(fā)生內(nèi)力重分布，并具有足夠的跨越能力保證不發(fā)生大范圍的坍塌。如圖4.2所示為都江堰市某商住樓，六層底框結(jié)構(gòu)，底層的柱混凝土被壓潰，該支撐已失效但結(jié)構(gòu)并未發(fā)生坍塌。第18頁/共34頁圖4.2 都江堰某商住樓地震下底框柱支撐失效第19頁/共34頁4.3 關(guān)鍵構(gòu)件法對(duì)于拆除后

9、可能引發(fā)大范圍坍塌的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)設(shè)計(jì)為“關(guān)鍵構(gòu)件”或者“重點(diǎn)保護(hù)構(gòu)件”，使其具有足夠的強(qiáng)度能在一定程度上抵御意外荷載作用。如圖4.3所示為都江堰某六層底框住宅樓。對(duì)于底框結(jié)構(gòu)，底層剪力墻本身就是很重要的構(gòu)件，應(yīng)設(shè)計(jì)為“關(guān)鍵構(gòu)件”；但該建筑在震前的改造中拆除了某部位的底層橫墻，結(jié)果在地震中該部位一端整體倒塌，而其他部分未倒塌。第20頁/共34頁圖4.3 都江堰市某底框住宅樓第21頁/共34頁5 5、結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌實(shí)例分析、結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌實(shí)例分析采用逐個(gè)拆除構(gòu)件的方法分別對(duì)抗震設(shè)防烈度為7度和8度的兩棟典型的中小學(xué)框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓進(jìn)行分析。其結(jié)構(gòu)三維模型與標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖5-1、5-2所示。圖5-1

10、 框架三維模型第22頁/共34頁圖5-2 7度和8度結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖第23頁/共34頁5.1 原始結(jié)構(gòu)拆除構(gòu)件分析按照高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3-2010)中第3.12.3條的抗連續(xù)倒塌的拆除構(gòu)件法采取以下具體的方法:1.逐層拆除結(jié)構(gòu)角柱Z1、短邊中柱Z2、長(zhǎng)邊中部柱Z9和底層內(nèi)部柱Z5。2.采用線性靜力方法分析剩余結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩和剪力。 3.判斷剩余結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力是否符合要求，符合則說明構(gòu)件未失效，反之失效。第24頁/共34頁5.2 計(jì)算結(jié)果及分析5.2.15.2.1 按彈性靜力方法進(jìn)行彎矩比較并考慮樓板內(nèi)鋼筋的拉結(jié)作用按彈性靜力方法進(jìn)行彎矩比較并考慮樓板內(nèi)鋼筋的拉結(jié)作用逐層拆

11、除各柱，計(jì)算相鄰兩端的彎矩，并與極限彎矩進(jìn)行比較。表中列出頂層框架梁考慮樓板內(nèi)鋼筋的拉結(jié)作用后的抗倒塌能力，結(jié)果在表中括號(hào)內(nèi)顯示，“”表示未失效。第25頁/共34頁表5.1 7度和8度拆除角柱Z1后構(gòu)件失效情況對(duì)比樓層梁號(hào)拆除1F角柱拆除2F角柱拆除3F角柱拆除4F角柱7度8度7度8度7度8度7度8度1FL1失效L2失效失效2FL1失效失效L2失效失效失效失效3FL1失效失效L2失效失效失效失效失效4FL1失效失效（）（）（）（） （） （） （失效）（失效）L2失效失效失效失效失效失效失效失效（失效） （失效）（失效）（失效）（失效）（失效）（失效）（失效）第26頁/共34頁表4.2 7度和

12、8度拆除短邊中柱Z2后構(gòu)件失效情況對(duì)比樓層梁號(hào)拆除1F短邊中柱拆除2F短邊中柱拆除3F短邊中柱拆除4F短邊中柱7度8度7度8度7度8度7度8度1FL1L3失效L42FL1L3失效L43FL1L3失效L44FL1失效（）（）（）（）（）（） （）（）L3失效（）（）（）（）（）（） （）（）L4（）（）（）（）（）（） （）（）第27頁/共34頁表5.3 7度和8度拆除長(zhǎng)邊中柱Z9后構(gòu)件失效情況對(duì)比第28頁/共34頁從表5.1、5.2可知，拆除角柱導(dǎo)致其上的大部分梁失效，尤其是與所拆除柱相連的梁，這是因?yàn)榭紤]動(dòng)力荷載的緣故。相比于拆除腳柱，拆除短邊中柱后失效梁數(shù)量明顯減少。拆除短邊中柱Z2后，荷

13、載可以沿三個(gè)方向傳遞，而拆除角柱Z1時(shí)只能沿兩個(gè)方向傳遞，而且跨度很大。同時(shí)，從表中可以看出高烈度設(shè)防下梁的失效情況明顯好于低烈度設(shè)防，也就是說抗震設(shè)防烈度高的結(jié)構(gòu)抗倒塌能力要強(qiáng)于設(shè)防烈度低的結(jié)構(gòu)。第29頁/共34頁表5.4 拆除長(zhǎng)邊中柱Z8后頂層梁失效情況（考慮懸鏈線機(jī)制）樓層梁號(hào)拆除1F長(zhǎng)邊中柱拆除2F長(zhǎng)邊中柱拆除3F長(zhǎng)邊中柱拆除4F長(zhǎng)邊中柱7度8度7度8度7度8度7度8度4FL8L10第30頁/共34頁由表5.4可以看出，考慮懸鏈線機(jī)制后，拆除長(zhǎng)邊中柱Z8時(shí)原來失效的梁均轉(zhuǎn)為未失效，這也說明在考慮懸鏈線機(jī)制時(shí)按常規(guī)設(shè)計(jì)的梁鋼筋用量可以抵抗長(zhǎng)邊中柱Z8意外失效時(shí)連續(xù)倒塌。第31頁/共34頁6、結(jié)論1.發(fā)生