结构抗连续倒塌研究进展

李家乐

摘要：近年来，对于结构抗连续倒塌性能的研究多集中于爆炸、撞击、火灾和地震等偶然荷载导致主要支撑构件失效而引起结构发生不成比例的连续性倒塌。然而，结构连续倒塌事件是复杂的非线性行为，目前结构中使用抗连续倒塌技术仍存在较多问题，本文着重介绍国内外抗连续倒塌研究进展，对结构连续倒塌产生机理和危害进行归纳，梳理使用抗连续倒塌技术结构存在问题以及解决方法，进一步分析目前结构中使用抗连续倒塌方法存在的问题并提出今后应研究的方向。

关键词：连续倒塌、偶然荷载、失效过程

引言

在建筑结构设计中，设计人员通常只考虑了永久荷载和可变荷载，没有考虑偶然作用下的爆炸力、撞击力和火灾等，但常常是这些偶然作用导致结构局部梁、柱失效，从而引发结构内力重分布,导致结构局部破坏。这种破坏机制为从构件开始并沿构件传递，引起结构其他部分破坏，从而形成连锁反应，最终导致结构部分或全部倒塌^[1]。所以结构的连续倒塌通常是在偶然荷载作用下发生局部失效导致部分结构倒塌或结构整体倒塌这两种情况^[2]。

目前，结构中使用抗连续倒塌技术仍存在较多问题，本文着重介绍国内外抗连续倒塌研究进展，对结构连续倒塌产生机理和危害进行归纳，梳理使用抗连续倒塌技术结构存在问题以及解决方法，进一步分析目前结构中使用抗连续倒塌方法存在的问题并提出今后应研究的方向。

一、抗连续倒塌技术开端

在过去几十年中，结构连续倒塌事故时常发生，严重威胁人们的生命安全并且带来了巨大的经济损失。1968年英国Ronan Point公寓连续倒塌事故，因为燃气着火，引发了一场大爆炸^[3]，导致结构整体垮塌。经调查发现该栋公寓局部坍塌开始于18层东南角承重墙失效，致使其上部的结构失去原有荷载传递路径，导致上部荷载重新分布传递到下部，但下部结构因失去部分有效支撑，而无法正常传递上部荷载，从而引发自上而下的连续坍塌。Point 公寓事件发生后，英国首次将抗连续倒塌写入设计规程，提出设计中需要考虑偶然荷载的要求，美国比较滞后地提出了抗连续倒塌的措施，主要对装配式的替代荷载路径以及构造节点提出要求。

1995年美国Oklahoma州联邦大厦倒塌事件^[4]。1995年4月19日，美国联邦政府办公大楼由于汽车炸弹袭击引发了结构的连续倒塌，爆炸使这幢9层钢筋混凝土框架结构底部中柱直接破坏，楼板和转换梁也在反向冲击力的作用下毁坏，结构失去有效的荷载传力路径，受损临柱无法承担分配的荷载后相继破坏，结构发生连锁反应而发生大范围垮塌。Alfred P.Murrah 事件发生后，工程界不再把结构发生连续倒塌认为是不需要考虑的小概率事件，对重要建筑进行偶然事故下的抗连续倒塌设计是很有意义的。

2001年美国“911”恐怖袭击事件^[5]，恐怖分子劫持飞机撞击美国纽约世贸中心双塔，撞击导致大楼引起大火，钢结构在持续的高温下逐渐丧失承载能力，导致建筑物迅速倒塌。“911”事件发生后，对于连续倒塌的研究达到高峰。主要表现为，美国总务局（GSA）及国防部（DOD）相继编制了专门抗连续倒塌的设计规范。

二、抗连续倒塌理论发展

由于倒塌事故频繁发生，在学术界连续倒塌问题的研究达到了高潮，同时世界各国也向后推出与抗连倒塌相关的规范^[6]。

以英国Poman Point建筑物爆炸事故为节点，为了避免类似事故再次出现，英国着手深入调研了结构抗连续倒塌有关问题，进而发布了Building Regulations、Approved Document和British Standard等一系列有关抗连续倒塌规范。在Building Regulations中提出了关键构件设计法、拉结构件设计法以及构件的跨越设计法三种设计方法^[7]。

欧洲规范Eurocodel^[8]中主要是从意外荷载的方面入手，规范中建议从意外事件发生的概率、意外荷载对结构的影响以及建筑结构构件局部强度三个点来进行控制。通过规避意外荷载出现，意外荷载出现后减低对建筑物的影响，和加强建筑物局部强度的方法来提升结构抗连续倒塌的能力。

美国以“9.11”事件的发生为标志，美国掀起深入研究结构抗连续倒塌的浪潮，一系列的抗连续倒塌设计指南相继发布，美国土木工程协会、美国总务管理局以及美国国防部等相继推出了该部门的设计指南。美国国防部（DoD）和总务管理局（GSA）分别制定了建筑结构抗连续性倒塌的相关技术规程，即UFC标准^[9]和GSA标准^[10]。

日本：2005年日本钢结构协会（JSSC）和日本钢铁联盟（JISF）发布了《高冗余度钢结构倒塌控制设计指南》^[11-12]该书分为“设计”和“研究”2部分，把高层建筑钢结构冗余度量化，以及提出了提高结构冗余度的方法。其指出结构的评估和设计方法有轴压比评估法，简单评估法和详细评估法。

国外较早注意到抗连续倒塌规范制定的重要性，我国规范的制定相对较为缓慢，我国从21世纪初才逐渐开始对结构抗连续性倒塌问题开展研究，分别在《工程结构可靠度设计同意标准》^[13]和《建筑结构抗震设计规范》^[14]给出了结构抗连续倒塌的要求，随后，在《混凝土结构设计规范》^[15]和《高层建筑混凝土结构技术规程》^[16]给出了结构抗连续性倒塌的设计目标和相关的概念设计原则。

三、存在问题

经过多年的抗连续倒塌的研究，在抗连续倒塌方面还存在一些问题。（1）缺少多维度偶然荷载作用下结构抗连续倒塌设计；（2）推广力度缺乏。目前国内学者也做了大量的研究工作，但是还未落实到结构设计中，需加推广力度；（3）我国规范对于抗连续倒塌规定过于简单，并且未给出具体的定量设计方法。从整体来看，我国在建筑结构抗倒塌设计方面还是有待完善，把其运用到实际工程中还需进一步研究。

参考文献

1. ASCE 7. American society of civil engineers standard7 minimum design loads for buildings and other structures[S]. USA: American Society of Civil Engineers, 2010.

2. 马慧敏. 钢框架结构的连续性倒塌动力响应分析[D]. 山东: 山东建筑大学, 2013.

3. Pearson C , Delatte N . [American Society of Civil Engineers Third Forensic Engineering Congress - San Diego, California, United States (October 19-21,2003)] Forensic Engineering (2003) - Lessons from the Progressive Collapse of the Ronan Point Apartment Tower[C]// Third Forensic Engineering Congress. 2003:190-200.

4. 郭蓉. 钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌与可靠性研究[D].湖南大学,2018.

5. 金丰年, 蒋美蓉等. 美国世贸大厦破坏分析[J]. 解放军理工大学学报：自然科学版, 2003(4): 61-64.

6. 姜健, 李国强. 建筑钢结构抗连续性倒塌各国规范设计及分析[J]. 解放军理工大学学报(自然科学版), 2014, 15(6): 540-551.

7. 陆新征，李易，叶列平，等．钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌设计方法的研究［J］。工程力学，2008，（S2）:150-157

8. 赵同阳，殷福新．钢框架抗连续倒塌设计方法研宄［J］．低温建筑技术，2015，（07）：72－75

9. DoD. Design of buildings to resist progressive collapse. Unified facilities criteria(UFC)4-023-03[S]. USA: US Department of Defense (DoD), 2013.

10. GSA. Progressive collapse analysis and design guidelines for new federal office buildings and major modernization projects[S]. USA: US General Services Admin -istration (GSA), 2005.

11. JSSC. Guildlines for collapse control design: construction of steel buildings with high redundancy I design[S]. Japan: Japanese Society of Steel and Construction (JSSC) and Council on Tall Buildings and Urban Habitat(CTBUH), 2005.

12. JSSC. Guildlines for collapse control design: II research[S]. Japan: Japanese Society of Steel Construction (JSSC) and Council on Tall Buildings and Urban Habitat (CTBUH), 2005.

13. 中国建筑科学研究院. GB50153-2008 工程结构可靠度设计统一标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009.

14. 中国建筑科学研究院. GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

15. GB 50010—2010 混凝土结构设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.

16. JGJ 3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.