結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計理論——拆除構(gòu)件法

1、結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計理論拆除構(gòu)件法什么是拆除構(gòu)件法（備用荷載路徑法）？如何拆除關(guān)鍵構(gòu)件？倒塌準(zhǔn)則鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞機制荷載組合汶川地震中的都江堰某三層框架填充墻結(jié)構(gòu)震害Project General Situation Wall-filled frame structure 3 floors Legth 93.6m, width 16.8m Story height of 13floor are 3.9m,3.6m,3.6m Slope roofDamage of Wall-Filled Frame in Wenchuan Earthquake 圖1 結(jié)構(gòu)布置圖Fig1.Structure

2、Layout of the First Floor注:這里將軸稱為段,將軸稱為段Noting: Here called the segment as ,called the segment as 兩段結(jié)構(gòu)布置非常近似抗震縫兩層的破壞情況極為不同,一段倒塌,一段雖然發(fā)生框架屈服破壞，但整體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生倒塌震害特點段震害 段震害 段一層框架柱破壞 段二層樓板落在地面上段一層框架柱錯斷段窗間框架柱鋼筋屈服，混凝土剝落是什么原因?qū)е聝蓚?cè)震害如此不同？設(shè)計原因？施工原因？場地原因？是否滿足設(shè)計規(guī)范？兩側(cè)結(jié)構(gòu)差異是否很大？同一設(shè)計單位同一施工單位在同一場地上材料強度滿足？表1 、段結(jié)構(gòu)平面布置比較結(jié)構(gòu)平面

3、布置異同點一層（標(biāo)高3.900）二層（標(biāo)高7.500）相同點：相應(yīng)位置框架柱配筋完全相同，橫向跨度方向配筋梁完全相同，縱向跨度方向框架梁配筋近似；不同點：縱向跨度有差別，段右上角（見圖1）為衛(wèi)生間，樓板為現(xiàn)澆板，計算荷載稍有增大三層（標(biāo)高11.100）相同點：同上不同點：段13軸AF軸、46軸AF軸范圍內(nèi)無樓板，僅有框架梁，樓板開洞比率為65%，其余部分鋼筋混凝土現(xiàn)澆板；段811軸AF軸、1214軸AF軸范圍內(nèi)無樓板，僅有框架梁樓板開洞比率為82.8%，其余部分為鋼筋混凝土現(xiàn)澆板四層（坡屋頂，標(biāo)高11.90015.170）相同點：同上不同點：段13軸AF軸、46軸AF軸范圍內(nèi)存在坡屋頂，坡屋頂

4、投影面積524.16m2；段811軸AF軸、1214軸AF軸范圍內(nèi)存在坡屋頂，坡屋頂投影面積629.50m2 兩側(cè)結(jié)構(gòu)非常類似結(jié)構(gòu)彈塑性階段的計算分析由于結(jié)構(gòu)被沉降縫分為兩個部分，因此，在進行Y（AF軸方向）方向Pushover分析時，將結(jié)構(gòu)分為、兩個部分分別進行。計算結(jié)果如下：表2 在罕遇地震下的層間位移角設(shè)防烈度場地類別/設(shè)計分組結(jié)構(gòu)的最大層間位移角段段7度類，第1設(shè)計分組1/1781/1638度類，第1設(shè)計分組1/731/71類，第2設(shè)計分組1/621/61 填充墻布置表3 填充墻布置概況層數(shù)使用功能填充墻位置填充墻材料段1商鋪，酒店大廳2、3、6軸上， 4、5軸的CD軸間黏土空心磚，6

5、孔2酒店客房加氣混凝土砌塊進行房間分割，砌塊厚度約10厘米，非常輕，沿框架柱及圍護墻體貼砌，無采用構(gòu)造聯(lián)結(jié)3酒店客房段1商鋪無2洗浴中心基本無填充墻3茶樓基本無填充墻段1層填充墻布置(填充紅色者)及相應(yīng)震害情況段2.3層填充墻布置(填充綠色者)4、5軸柱,破壞處混凝土剝落，縱向鋼筋屈服，應(yīng)該失去了豎向承載能力，至少是絕大部分豎向承載能力，但結(jié)構(gòu)并未因此而倒塌，與之連接的填充墻承擔(dān)了豎向力。框架柱被破壞后，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，填充墻也不可避免地承擔(dān)了豎向力。研究結(jié)論1段一層填充墻與地震作用方向大致成45度夾角，地震力未全部作用在橫向框架上，填充墻破壞程度較輕。汶川地震波主要作用方向 研究結(jié)論2與地震

6、作用主方向垂直的墻體，有抗倒塌作用強調(diào)：一般結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計計算模型整個完好結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件失效退出工作后，剩余結(jié)構(gòu)荷載類型永久荷載與作用可變荷載與作用偶然荷載與作用設(shè)計目標(biāo)保證所設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有足夠的安全度,也即失效概率足夠小容許結(jié)構(gòu)局部發(fā)生嚴(yán)重破壞和失效未破壞的剩余結(jié)構(gòu)能有效承受因局部破壞后發(fā)生的荷載和內(nèi)力重分布,不至于短時間內(nèi)造成結(jié)構(gòu)的破壞范圍迅速擴散而導(dǎo)致大范圍、甚至整個結(jié)構(gòu)的坍塌。概念設(shè)計法以定性設(shè)計為主，其中有些定性設(shè)計通過定量設(shè)計予以實現(xiàn)拉結(jié)構(gòu)件法設(shè)置豎向、水平通長鋼筋，并采取有效的連接錨固措施，將結(jié)構(gòu)連成一個整體。拆除構(gòu)件法最常用設(shè)計方法，美國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)稱為AP法（Alter

7、nate Path Method).首先從結(jié)構(gòu)模型中移除按一定規(guī)則選定的一根受力構(gòu)件，模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件瞬間失效，然后對剩余結(jié)構(gòu)在規(guī)定的荷載作用下進行力學(xué)計算，由剩余結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和變形，根據(jù)規(guī)定的接受準(zhǔn)則，評定是否導(dǎo)致其它構(gòu)件失效。局部加強法0 上節(jié)回顧1 什么是拆除構(gòu)件法？也叫備用荷載路徑法(Alternate Path Method，AP)，即將結(jié)構(gòu)中的部分構(gòu)件拆除，模擬結(jié)構(gòu)的初始破壞，通過有限元法分析結(jié)構(gòu)中部分構(gòu)件拆除后剩余結(jié)構(gòu)的強度和變形，判斷結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生連續(xù)倒塌。如果結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌，則通過增強拆除后的剩余構(gòu)件來避免連續(xù)倒塌，這種方法的實質(zhì)是增強結(jié)構(gòu)的冗余度，提供有效的備用傳力路徑 。

8、英國規(guī)范（ODPM, 2004; BSI, 2002）歐洲規(guī)范（CEN, 2004; CEN, 2006）美國規(guī)范（ASCE, 2005；ACI, 2008）美國還制定了專門的抗連續(xù)倒塌設(shè)計規(guī)范（GSA, 2003；Do D, 2010），相對于通用規(guī)范（如英國規(guī)范、歐洲規(guī)范）的原則性規(guī)定，專門的抗連續(xù)倒塌設(shè)計規(guī)范對抗連續(xù)倒塌設(shè)計目標(biāo)、計算分析方法和結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求等進行了更詳細(xì)的規(guī)定。 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 JGJ3-2010（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 2010）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB50010-2010（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 2010）僅涉及簡單的抗連續(xù)倒塌設(shè)計原則

9、和基本設(shè)計要求。專門規(guī)范：建筑結(jié)構(gòu)倒塌設(shè)計規(guī)范（CECS392:2014）（中國計劃出版社，2014年） 19規(guī)定了比較詳細(xì)的流程和設(shè)計參數(shù)，可操作性強；僅要求采用相應(yīng)的設(shè)計方法，但并沒有規(guī)定具體操作流程和參數(shù)；表示沒有采用該方法。應(yīng)用范圍：拆除構(gòu)件法應(yīng)用于以下兩種情況：1）如果結(jié)構(gòu)構(gòu)件或節(jié)點的豎向拉結(jié)強度不足，設(shè)計者可采用拆除構(gòu)件法設(shè)計，使得該構(gòu)件破壞后結(jié)構(gòu)能跨越該構(gòu)件而不坍塌。2）對于中、高安全等級的，應(yīng)采用拆除構(gòu)件法。2 如何拆除構(gòu)件？2.1 針對確定的偶然荷載2.2 針對不確定的偶然荷載2.1 針對確定的偶然荷載正線列車脫軌撞擊下雨棚整體性分析(a) 雨棚一(b) 雨棚二目的：確定正線

10、列車脫軌撞擊時結(jié)構(gòu)柱的破壞根數(shù)雨棚柱直徑（mm）柱間距（m）15182124273033600撞擊根數(shù)3333222撞斷根數(shù)2222222700撞擊根數(shù)3332222撞斷根數(shù)2222221800撞擊根數(shù)3322222撞斷根數(shù)2222111900撞擊根數(shù)2222222撞斷根數(shù)1111111950撞擊根數(shù)2222222撞斷根數(shù)1111111雨棚柱正撞拆除根數(shù)小結(jié)：（1）拆除兩根柱時，雨棚結(jié)構(gòu)不會發(fā)生連續(xù)倒塌。（2）邊柱失效對雨棚抗連續(xù)倒塌性能影響大于中柱。（3）平面張弦梁結(jié)構(gòu)應(yīng)減小各榀張弦梁間距，加強平面外縱向聯(lián)系：應(yīng)提高屋面檁條的拉結(jié)作用，檁條與上弦梁的連接宜為固結(jié)連接方式。2.2 針對不確定的

11、偶然荷載GSA2003（GSA, 2003）規(guī)定僅拆除底層典型部位的框架柱，對上部結(jié)構(gòu)的柱不作要求；Do D2010（Do D, 2010）對內(nèi)部柱僅要求拆除位于底層的即可，對于上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部柱不作拆除要求，其他典型部位的框架柱 Do D2010 均要求拆除分析。這種規(guī)定原因是：結(jié)構(gòu)的地下停車場、首層結(jié)構(gòu)易遭受炸彈襲擊而失效；上部結(jié)構(gòu)的外圍易遭受飛行物撞擊和燃?xì)獗ǖ淖饔枚?。?）外圍柱的拆除至少應(yīng)該拆除一根外圍柱的位置包括：結(jié)構(gòu)短邊中間處、長邊中間處和角部另外還包括建筑物幾何尺寸發(fā)生明顯變化處，如跨度突變處、凹角處、相鄰柱所承受的荷載較輕處、開間具有不同尺寸處以及方向和立面不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件

12、僅針對框架和平板結(jié)構(gòu)（2）內(nèi)部柱的拆除對于結(jié)構(gòu)的地下停車場和首層難以進行安全控制的區(qū)域，拆除結(jié)構(gòu)短邊中間處、長邊中間處和無法控制區(qū)域角部的內(nèi)部柱。設(shè)計者根據(jù)工程經(jīng)驗來判斷其他還須拆除的位于無法進行安全控制的公共區(qū)域的柱。對于每個規(guī)定的拆除位置，只對地下停車場和首層進行AP 分析，而無需對結(jié)構(gòu)的其他樓層進行分析。（3）保證節(jié)點的水平連續(xù)性（4）外圍承重墻的拆除結(jié)構(gòu)短邊中間處、長邊中間處和角部另外還包括建筑物幾何尺寸發(fā)生明顯變化處，如跨度突變處、凹角處、相鄰柱所承受的荷載較輕處、開間具有不同尺寸處以及方向和立面不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（5）內(nèi)部承重墻的拆除對于結(jié)構(gòu)的地下停車場和首層難以進行安全控制的區(qū)域（6

13、）拆除承重墻的長度對于建筑物非角段區(qū)域取兩倍墻高，但不應(yīng)小于開間寬度。對建筑物角部兩個方向分別取一倍墻高，且不小于開間寬度。對于不是承重墻但與內(nèi)部承重墻交接的外圍墻段，每個方向分別取一倍墻高，且不小于開間寬度。對于外圍墻不是承重墻但與內(nèi)承重墻相交的位置，外圍墻的拆除長度等于一倍墻高。3 連續(xù)倒塌判斷準(zhǔn)則 GSA2003（GSA, 2003）和 Do D2005（Do D, 2005）規(guī)定，預(yù)設(shè)構(gòu)件拆除后，即結(jié)構(gòu)發(fā)生初始破壞后，容許剩余結(jié)構(gòu)發(fā)生后繼破壞，從后繼倒塌的范圍（包括絕對面積和相對面積兩個指標(biāo)）來判斷結(jié)構(gòu)是否滿足抗連續(xù)倒塌要求。這種判斷準(zhǔn)則在理論上符合連續(xù)性倒塌定義，但是結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌過

14、程中存在破壞、碰撞、堆載等一系列復(fù)雜力學(xué)行為，故實際操作難度較大。Do D2010修改了 Do D2005 規(guī)定，嚴(yán)格限制任何結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生后繼破壞（Do D, 2010），即某構(gòu)件發(fā)生初始破壞后，剩余結(jié)構(gòu)不能出現(xiàn)超過構(gòu)件變形能力極限的塑性變形，但是這種嚴(yán)格的規(guī)定在工程界還存在爭議。結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌失效準(zhǔn)則定義為梁兩端的相對位移達到跨度的 1/5。（1）外圍柱/承重墻 對于外圍墻/柱的拆除，破壞范圍限制要求為，直接位于拆除構(gòu)件上部的樓板的坍塌面積不得大于70m2（和15%樓板總面積的較小值，且直接額外位于拆除構(gòu)件下方的樓板不能倒塌。另外任何與拆除構(gòu)件無直接相連的結(jié)構(gòu)部分都不應(yīng)坍塌。(2)對于內(nèi)部柱

15、/承重墻拆除對于內(nèi)部墻/柱的拆除，破壞范圍限制要求為，直接位于拆除構(gòu)件上部的樓板的坍塌面積不得大于140m2和30%樓板總面積的較小值，且直接位于拆除構(gòu)件下方的樓板不能倒塌。另外任何與拆除構(gòu)件無直接相連的結(jié)構(gòu)部分都不應(yīng)坍塌。絕對面積和相對面積兩個指標(biāo)水平構(gòu)件拉結(jié)設(shè)計的懸索機制和梁機制4 抗連續(xù)倒塌機制針對普通鋼筋混凝土框架梁機制：在小變形范圍內(nèi)（結(jié)點位移小于跨度的十分之一），失去支撐的框架梁可以通過其抗彎承載力提供抗連續(xù)倒塌能力；懸鏈線機制：在大變形范圍內(nèi)（結(jié)點位移大于跨度的十分之一），失去支撐并貫通結(jié)點的框架梁可以通過其抗拉承載力提供抗連續(xù)倒塌能力。對于矩形軸網(wǎng)布置的典型 RC框架結(jié)構(gòu)： (

16、1) 邊緣柱破壞時，在小變形范圍內(nèi)，兩個方向的框架梁以梁機制提供抗連續(xù)倒塌能力，在大變形范圍內(nèi)，只有邊緣的貫通梁才能以懸鏈線機制提供抗連續(xù)倒塌能力，而垂直于邊緣的框架梁在此階段不能提供抗連續(xù)倒塌貢獻；(2) 角部柱破壞時，框架梁僅能在小變形狀態(tài)下以梁機制提供抗連續(xù)倒塌能力；(3) 內(nèi)部柱破壞時，雙向貫通的框架梁均可通過梁機制或懸鏈線機制提供抗連續(xù)倒塌能力。 5 荷載組合和材料強度取值結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌屬于極小概率事件時，荷載組合可僅考慮永久荷載和準(zhǔn)永久荷載，本文建議荷載組合設(shè)計值可按下式計算：式中：SGk 為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值；Sqik 為豎向可變荷載(包括樓面、屋面活荷載和雪荷載)標(biāo)準(zhǔn)值；Sqwk 為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；qi 為可變荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)；cw為風(fēng)荷載組合值系數(shù)，取0.2；A 為動力放大系數(shù)，采用靜力方法計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時，需考慮倒塌過程中的動力效應(yīng)的影響。當(dāng)構(gòu)件直接