工程结构的鲁棒性.ppt

工程结构的鲁棒性工程结构的鲁棒性 * *大学土木工程系大学土木工程系 教授教授 * * n n 目前我国土木工程结构教育和各种工程结构设计目前我国土木工程结构教育和各种工程结构设计 规范的主要内容，对结构安全性的计算都是着落规范的主要内容，对结构安全性的计算都是着落 于结构构件于结构构件 n n 这显然没有能够使得结构工程师更多的考虑这显然没有能够使得结构工程师更多的考虑整体整体 结构的安全性结构的安全性 n n 这是我国工程结构教育、结构工程师训练、设计这是我国工程结构教育、结构工程师训练、设计 水平和能力不足的一个重要原因，也是导致某些水平和能力不足的一个重要原因，也是导致某些 工程结构安全性不够的重要原因工程结构安全性不够的重要原因 n n 虽然结构构件的安全性与整体结构的安全性有一虽然结构构件的安全性与整体结构的安全性有一 定的联系，但定的联系，但 结构构件的安全性结构构件的安全性 整体结构的安全性整体结构的安全性 n n 所有结构构件安全性相同的结构，其整体结构的所有结构构件安全性相同的结构，其整体结构的 安全性不一定相同安全性不一定相同 n n 一个结构工程师的设计水平，往往体现在他对整一个结构工程师的设计水平，往往体现在他对整 体结构安全性的把握体结构安全性的把握 n n 工程结构的工程结构的鲁棒性鲁棒性就是研究整体结构安全性，使就是研究整体结构安全性，使 结构工程师在保证结构构件安全性的前提下，结构工程师在保证结构构件安全性的前提下，更更 多的关注整体结构的安全性多的关注整体结构的安全性 提纲提纲 n n 结构鲁棒性的概念和意义结构鲁棒性的概念和意义 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 n n 结构破坏模式与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性 n n 结构的承载力和延性与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性 n n 赘余构件与鲁棒性赘余构件与鲁棒性 n n 结语结语 提纲提纲 n n 结构鲁棒性的概念和意义结构鲁棒性的概念和意义 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 n n 结构破坏模式与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性 n n 结构的承载力和延性与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性 n n 赘余构件与鲁棒性赘余构件与鲁棒性 n n 结语结语 耐久性耐久性 适用性适用性 承载能力极限状态承载能力极限状态安全性安全性 结构的结构的 功能功能 safety serviceability durability 正常使用极限状态正常使用极限状态 鲁棒性鲁棒性 robustness 意外情况下的安全性意外情况下的安全性 n n 结构鲁棒性的概念和意义结构鲁棒性的概念和意义 鲁棒性鲁棒性 robustness robustness n n robustnessrobustness的的中文含义是：中文含义是：强壮的、健全的、强壮的、健全的、 费力的、坚固的、耐用的费力的、坚固的、耐用的 n n 鲁棒性：鲁智深的棒子鲁棒性：鲁智深的棒子 n n 鲁棒性：粗鲁的棍棒鲁棒性：粗鲁的棍棒 n n 鲁棒性就是整体结构的鲁棒性就是整体结构的健壮性健壮性 鲁棒性鲁棒性 robustness robustness n n 鲁棒性，结构的整体性鲁棒性，结构的整体性 n n 鲁棒性，结构的抗倒塌性鲁棒性，结构的抗倒塌性 n n 易损性易损性，结构容易受到伤害或损伤的程度，结构容易受到伤害或损伤的程度 n n 鲁棒性的反意是易损性（鲁棒性的反意是易损性（vulnerabilityvulnerability） n n jitendrajitendra a a等（等（20032003）对结构易损性的解释是，）对结构易损性的解释是， 局部很小的破坏导致很大的结构破坏局部很小的破坏导致很大的结构破坏 n n 显然一个整体性好的结构，也即结构的局部破坏显然一个整体性好的结构，也即结构的局部破坏 不影响结构的整体安全性时，结构的易损性就小不影响结构的整体安全性时，结构的易损性就小 ，鲁棒性就大，鲁棒性就大 鲁棒性鲁棒性 robustness robustness n n robustnessrobustness的的中文含义是：中文含义是：强壮的、健全的、强壮的、健全的、 费力的、坚固的、耐用的费力的、坚固的、耐用的 n n 相对于工程结构在正常情况下的相对于工程结构在正常情况下的安全性安全性、适用性适用性 和和耐久性耐久性的性能，工程结构的鲁棒性是指整体结的性能，工程结构的鲁棒性是指整体结 构抵御构抵御意外事件意外事件的能力的能力 n n 事实上，结构的安全性往往是在意外事件情况下事实上，结构的安全性往往是在意外事件情况下 才能体现出来才能体现出来 鲁棒性鲁棒性 robustness robustness n n 意外事件是指在工程结构使用阶段可能出现，但意外事件是指在工程结构使用阶段可能出现，但 其其量值量值、作用形式作用形式和和作用位置作用位置难以估计的非正常难以估计的非正常 荷载和作用（如极罕遇地震、飞机撞击、恐怖爆荷载和作用（如极罕遇地震、飞机撞击、恐怖爆 炸袭击、重大人为失误等）炸袭击、重大人为失误等） n n 对于意外事件，在工程结构的设计阶段通常无法对于意外事件，在工程结构的设计阶段通常无法 进行细致全面和深入的分析，并给予充分保证进行细致全面和深入的分析，并给予充分保证 n n 工程结构在意外事件发生时和发生后，应能保持工程结构在意外事件发生时和发生后，应能保持 整体稳定性，不应发生与其原因不相称的倒塌或整体稳定性，不应发生与其原因不相称的倒塌或 连续破坏，造成重大的生命和财产损失连续破坏，造成重大的生命和财产损失 n n 鲁棒性与安全性既有联系，又有区别鲁棒性与安全性既有联系，又有区别 n n 两者都是关心的工程结构安全问题，但鲁棒性是两者都是关心的工程结构安全问题，但鲁棒性是 以避免工程以避免工程整体整体结构的结构的终极垮塌终极垮塌为目标，是无法为目标，是无法 接受的安全性上限接受的安全性上限 n n 而安全性通常是以结构（构件）的而安全性通常是以结构（构件）的最大承载力最大承载力为为 目标，即按所谓的目标，即按所谓的“ “承载力极限状态承载力极限状态” ”来考虑的安来考虑的安 全性。结构达到最大承载力（极限状态）并不意全性。结构达到最大承载力（极限状态）并不意 味着结构的垮塌味着结构的垮塌 n n 安全性是针对正常使用荷载和作用来考虑的，而安全性是针对正常使用荷载和作用来考虑的，而 鲁棒性是针对意外荷载和作用来考虑的鲁棒性是针对意外荷载和作用来考虑的 鲁棒性与安全性的关系鲁棒性与安全性的关系 n n 鲁棒性与安全性既有联系，又有区别鲁棒性与安全性既有联系，又有区别 基本承载力基本承载力 安全储备安全储备 意外事件意外事件 安全储备安全储备 n n 安全性安全性 l l 正常荷载和作用正常荷载和作用 l l 构件破坏构件破坏 l l 构件最大承载力构件最大承载力 l l 弹性计算弹性计算 l l 承载力承载力 n n 鲁棒性与安全性的区别鲁棒性与安全性的区别 n n 鲁棒性鲁棒性 l l 意外荷载和作用意外荷载和作用 l l 结构破坏结构破坏( (结构体系结构体系) ) l l 结构最大承载力结构最大承载力 l l 构件连接构件连接 l l 弹塑性计算弹塑性计算 l l 变形变形 提纲提纲 n n 结构鲁棒性的概念和意义结构鲁棒性的概念和意义 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 n n 结构破坏模式与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性 n n 结构的承载力和延性与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性 n n 赘余构件与鲁棒性赘余构件与鲁棒性 n n 结语结语 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 uu鲁棒性是研究结构产生灾害性后果的破坏，鲁棒性是研究结构产生灾害性后果的破坏， 如坍塌、连续破坏、倾覆。如坍塌、连续破坏、倾覆。 uu因此，首先需要对结构破坏有一个明确的概因此，首先需要对结构破坏有一个明确的概 念。念。 uu以构件破坏定义以构件破坏定义 uu以结构最大承载力定义以结构最大承载力定义 uu以结构极限变形定义以结构极限变形定义 uu以结构承载力降低到最大承载力的某一百分以结构承载力降低到最大承载力的某一百分 比定义比定义 uu以结构形成可变机构定义以结构形成可变机构定义 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 以构件破坏定义以构件破坏定义 结构中任一个构件的破坏即导致结构垮塌。结构中任一个构件的破坏即导致结构垮塌。 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 台湾地震，台湾地震，19991999年年9 9月月2121日，死亡日，死亡24002400多人多人 神户地震，神户地震，19951995年年1 1月月1717日，死亡日，死亡6430 6430 人人 台湾地震，台湾地震，19991999年年9 9月月2121日，死亡日，死亡24002400多人多人 以构件破坏定义以构件破坏定义 n n 结构中任一个构件的破坏即认为是结构破坏结构中任一个构件的破坏即认为是结构破坏 n n 符合这种破坏定义的结构，其鲁棒性小，即整体符合这种破坏定义的结构，其鲁棒性小，即整体 结构的鲁棒性取决于结构中（首先破坏的）结构的鲁棒性取决于结构中（首先破坏的）关键关键 构件构件的鲁棒性的鲁棒性 n n 要提高这类结构的鲁棒性，必需提高要提高这类结构的鲁棒性，必需提高关键构件关键构件的的 鲁棒性，或增加鲁棒性，或增加关键构件关键构件的安全储备的安全储备 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 以结构的最大承载力定义以结构的最大承载力定义 对于超静定结构，一个构件达到最大承载力，对于超静定结构，一个构件达到最大承载力， 并不意味着整体结构达到最大承载力。并不意味着整体结构达到最大承载力。 如果先破坏的构件具有足够的延性，则整体结如果先破坏的构件具有足够的延性，则整体结 构的承载力在第一个构件破坏后仍然可以继续构的承载力在第一个构件破坏后仍然可以继续 增加，但整体结构的刚度会有所降低，直至结增加，但整体结构的刚度会有所降低，直至结 构中有足够多的构件达到破坏，结构才达到最构中有足够多的构件达到破坏，结构才达到最 大承载力。大承载力。 这意味着在达到结构最大承载力以前，那些达这意味着在达到结构最大承载力以前，那些达 到承载力构件的延性对结构的鲁棒性具有重要到承载力构件的延性对结构的鲁棒性具有重要 意义。意义。 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 不丧失整体结构的冗余度不丧失整体结构的冗余度 以结构的最大承载力定义以结构的最大承载力定义 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 0 20 40 60 80 100 120 140 160 050100150 lateral displacement at frame top (mm)lateral displacement at frame top (mm) lateral force at frame top (lateral force at frame top (knkn) ) 以结构的极限变形定义以结构的极限变形定义 n n 对于延性好的结构，在达到最大承载力后并不对于延性好的结构，在达到最大承载力后并不 会立即垮塌，而是在保持一定承载力的情况下会立即垮塌，而是在保持一定承载力的情况下 可以继续经受一定的变形，直至达到极限变形可以继续经受一定的变形，直至达到极限变形 n n 结构的极限变形通常发生在结构的最大承载力结构的极限变形通常发生在结构的最大承载力 之后，反映了结构破坏前的变形能力，代表结之后，反映了结构破坏前的变形能力，代表结 构实际破坏的极限状态构实际破坏的极限状态 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 以结构的极限变形定义以结构的极限变形定义 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 0 20 40 60 80 100 120 140 160 050100150 lateral displacement at frame top (mm)lateral displacement at frame top (mm) lateral force at frame top (lateral force at frame top (knkn) ) 以结构承载力降低到最大承载力的某一百分比定义以结构承载力降低到最大承载力的某一百分比定义 l l 通常按降低通常按降低1515考虑。考虑。 l l 尽管极限变形反映结构实际破坏的极限状态，但尽管极限变形反映结构实际破坏的极限状态，但 超过最大承载力后，结构的承载力随变形的增加超过最大承载力后，结构的承载力随变形的增加 不断降低（不断降低（材料强度降低、截面损伤、材料强度降低、截面损伤、p pd d效应效应 ），如果这种承载力降低发生在结构竖向承重关），如果这种承载力降低发生在结构竖向承重关 键构件，则会因不能继续承担上部结构自身的重键构件，则会因不能继续承担上部结构自身的重 量而发生垮塌。量而发生垮塌。 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 提纲提纲 n n 结构鲁棒性的概念和意义结构鲁棒性的概念和意义 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 n n 结构破坏模式与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性 n n 结构的承载力和延性与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性 n n 赘余构件与鲁棒性赘余构件与鲁棒性 n n 结语结语 明确结构体系中不同构件的作用明确结构体系中不同构件的作用 uu对于结构的鲁棒性来说，结构中的不同构件对于对于结构的鲁棒性来说，结构中的不同构件对于 结构鲁棒性的贡献是不同。结构鲁棒性的贡献是不同。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 l l 关键构件关键构件 l l 一般构件一般构件 l l 次要构件次要构件 l l 赘余构件赘余构件 明确结构体系中不同构件的作用明确结构体系中不同构件的作用 uu关键构件关键构件是指其破坏容易引起结构大范围的破坏是指其破坏容易引起结构大范围的破坏 或垮塌的构件。或垮塌的构件。结构工程师应具有确认结构体系结构工程师应具有确认结构体系 中关键构件的能力中关键构件的能力。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 uu相对于关键构件，结构中的相对于关键构件，结构中的次要构件次要构件是指那些破是指那些破 坏后不会导致整个结构严重破坏的构件。坏后不会导致整个结构严重破坏的构件。 uu次要构件的破坏甚至不会达到结构的最大承载力次要构件的破坏甚至不会达到结构的最大承载力 或极限变形，或也不会使得结构的承载力有很大或极限变形，或也不会使得结构的承载力有很大 降低，或也不会使得结构形成几何可变体系。降低，或也不会使得结构形成几何可变体系。 明确结构体系中不同构件的作用明确结构体系中不同构件的作用 uu除关键构件和次要构件外，其它结构构件属于除关键构件和次要构件外，其它结构构件属于 一般构件。一般构件。 uu一般构件的破坏对整体结构的承载力有一定影一般构件的破坏对整体结构的承载力有一定影 响，但不会导致整体结构的承载力产生急剧降响，但不会导致整体结构的承载力产生急剧降 低。低。 uu通常，一定数量的一般构件破坏后才会导致整通常，一定数量的一般构件破坏后才会导致整 体结构的严重破坏。体结构的严重破坏。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 明确结构体系中不同构件的作用明确结构体系中不同构件的作用 uu正确区分结构中的关键构件、一般构件和次要构正确区分结构中的关键构件、一般构件和次要构 件是保证结构抗震设计具有足够鲁棒性的前提件是保证结构抗震设计具有足够鲁棒性的前提。 uu然而，目前我国各种结构设计规范，往往都是针然而，目前我国各种结构设计规范，往往都是针 对一般结构构件的设计计算（实际上是针对构件对一般结构构件的设计计算（实际上是针对构件 的截面承载力计算的），且所有结构构件的安全的截面承载力计算的），且所有结构构件的安全 度基本都是相同，这种做法违背结构鲁棒性原则度基本都是相同，这种做法违背结构鲁棒性原则 ，因为目前计算出的可靠度并不能直接换算成结，因为目前计算出的可靠度并不能直接换算成结 构的破坏概率，它与结构的整体倒塌更无可比性构的破坏概率，它与结构的整体倒塌更无可比性 （陈瑞金、刘西拉，（陈瑞金、刘西拉，19891989）。）。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 明确结构体系中不同构件的作用明确结构体系中不同构件的作用 uu从结构的鲁棒性观点来看，从结构的鲁棒性观点来看，构件的安全度与结构构件的安全度与结构 的安全度完全是两回事的安全度完全是两回事，这一点往往被我国结构，这一点往往被我国结构 设计人员所忽视，在我国各类结构设计规范中也设计人员所忽视，在我国各类结构设计规范中也 强调得很少。强调得很少。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 明确结构体系中不同构件的作用明确结构体系中不同构件的作用 uu基于结构鲁棒性原理，对于关键构件应增加其安基于结构鲁棒性原理，对于关键构件应增加其安 全度，或者将关键构件设计成具有鲁棒性的构件全度，或者将关键构件设计成具有鲁棒性的构件 uu尽管这种区分和提高安全度要求的做法可能仅仅尽管这种区分和提高安全度要求的做法可能仅仅 是概念性，然而这种原则规定对工程师在设计时是概念性，然而这种原则规定对工程师在设计时 是有重要提示的。是有重要提示的。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 明确结构体系中不同构件的作用明确结构体系中不同构件的作用 uu基于结构鲁棒性原理，对于关键构件应增加其安全度，基于结构鲁棒性原理，对于关键构件应增加其安全度， 或者将关键构件设计成具有鲁棒性的构件。或者将关键构件设计成具有鲁棒性的构件。 uu抗震规范抗震规范中对增加关键构件的安全度虽有所体现（中对增加关键构件的安全度虽有所体现（ 如抗震等级、强柱弱梁、强连接弱构件的设计原则和方如抗震等级、强柱弱梁、强连接弱构件的设计原则和方 法、框支柱的承载力增大系数），但在结构总体抗震设法、框支柱的承载力增大系数），但在结构总体抗震设 计原则上没有针对不同结构体系来区分关键构件，并给计原则上没有针对不同结构体系来区分关键构件，并给 出相应的更高要求的安全度。出相应的更高要求的安全度。 uu尽管这种区分和提高安全度要求的做法可能仅仅是概念尽管这种区分和提高安全度要求的做法可能仅仅是概念 性，然而这种原则规定对工程师在设计时是有重要提示性，然而这种原则规定对工程师在设计时是有重要提示 的。的。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 明确结构体系中不同构件的作用明确结构体系中不同构件的作用 l l 目前确定关键构件有一些理论和方法还不成熟。因此，凭目前确定关键构件有一些理论和方法还不成熟。因此，凭 借工程师对整体结构的理解和把握来区分关键构件可能更借工程师对整体结构的理解和把握来区分关键构件可能更 为实际。为实际。 砌体结构砌体结构墙体墙体 排架结构排架结构排架柱排架柱 框架结构框架结构框架柱，已采用框架柱，已采用“ “强柱弱梁强柱弱梁” ”方法进行考虑；方法进行考虑； 框架框架- -剪力墙结构剪力墙结构剪力墙；剪力墙； 框架框架- -核心筒结构核心筒结构核心筒；特别是近年来出现的钢框核心筒；特别是近年来出现的钢框 架架- -核心筒结构，核心筒的安全度应核心筒结构，核心筒的安全度应 比现行规范明显提高；比现行规范明显提高； 巨型框架结构巨型框架结构巨型框架柱；巨型框架柱； 筒中筒结构筒中筒结构，内外筒同等重要；，内外筒同等重要； 束筒结构束筒结构的所有筒体均同等重要。的所有筒体均同等重要。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 北京电视中心北京电视中心 日本横滨地标日本横滨地标 明确结构体系中不同构件的作用明确结构体系中不同构件的作用 uu对于关键构件，还可以采取合理的设计，使其成对于关键构件，还可以采取合理的设计，使其成 为具有鲁棒性的构件，使结构的鲁棒性得到提高为具有鲁棒性的构件，使结构的鲁棒性得到提高 uu如如分体柱、钢骨混凝土柱分体柱、钢骨混凝土柱、钢管混凝土叠合柱、钢管混凝土叠合柱、 有边缘约束构件的剪力墙有边缘约束构件的剪力墙 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 c100 uu由于结构形式和破坏模式不同，关键构件还可分由于结构形式和破坏模式不同，关键构件还可分 为为整体型关键构件整体型关键构件和和局部型关键构件局部型关键构件。 uu如剪力墙属于整体型关键构件，而框支柱属于局如剪力墙属于整体型关键构件，而框支柱属于局 部型关键构件。部型关键构件。 uu对于局部型关键构件应具有更高的安全度。对于局部型关键构件应具有更高的安全度。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 uu整体型关键构件破坏前，有许多与其关联的次要整体型关键构件破坏前，有许多与其关联的次要 构件先行破坏构件先行破坏 uu而局部型关键构件破坏时，结构中其它构件往往而局部型关键构件破坏时，结构中其它构件往往 尚未破坏尚未破坏 uu典型的例子是新中央电视台大楼，由于其特殊的典型的例子是新中央电视台大楼，由于其特殊的 结构形式，结构中有很多构件都成为局部型关键结构形式，结构中有很多构件都成为局部型关键 构件构件 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 尽量形成超静定结构尽量形成超静定结构 uu结构的鲁棒性与结构的超静定次数密切相关。结构的鲁棒性与结构的超静定次数密切相关。 uu超静定次数也即在结构鲁棒性研究所说的结构超静定次数也即在结构鲁棒性研究所说的结构冗冗 余度余度。 uu冗余度是结构备用传力路径的指标冗余度是结构备用传力路径的指标 uu结构的冗余度越大，结构备用传力路径越多，鲁结构的冗余度越大，结构备用传力路径越多，鲁 棒性也越高。棒性也越高。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 尽量形成超静定结构尽量形成超静定结构 uu当然，如果超静定次数都是集中于结构次要构件当然，如果超静定次数都是集中于结构次要构件 部分，这种冗余度增加对提高结构鲁棒性的作用部分，这种冗余度增加对提高结构鲁棒性的作用 不大不大 uu如框支结构，即使上部结构的冗余度再大，也不如框支结构，即使上部结构的冗余度再大，也不 会提高结构的鲁棒性，因为此时结构的鲁棒性集会提高结构的鲁棒性，因为此时结构的鲁棒性集 中于局部型关键构件的框支部分中于局部型关键构件的框支部分 uu因此，因此，只有对具有整体型关键构件的结构增加冗只有对具有整体型关键构件的结构增加冗 余度，才具有提高结构鲁棒性的意义余度，才具有提高结构鲁棒性的意义 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 尽量形成超静定结构尽量形成超静定结构 uu在结构中增加赘余构件，也会使得结构超静定次在结构中增加赘余构件，也会使得结构超静定次 数增加。数增加。 uu有时，可以利用一些非结构构件来作为赘余构件有时，可以利用一些非结构构件来作为赘余构件 ，如隔墙，可以通过加强其与主体结构构件的连，如隔墙，可以通过加强其与主体结构构件的连 接，使其成为赘余构件；接，使其成为赘余构件； uu又如，利用结构中的一些连系梁作为赘余构件，又如，利用结构中的一些连系梁作为赘余构件， 也可以使得整体结构的超静定次数大大增加。也可以使得整体结构的超静定次数大大增加。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 增强结构的整体牢固性增强结构的整体牢固性 uu结构鲁棒性大的一个重要标志，就是结构具有整结构鲁棒性大的一个重要标志，就是结构具有整 体性破坏模式，而不会由于结构的局部破坏导致体性破坏模式，而不会由于结构的局部破坏导致 产生严重后果产生严重后果 uu因此，通过加强构件的连接或专门设置的某些构因此，通过加强构件的连接或专门设置的某些构 件来增强结构的整体性，对提高结构的鲁棒性有件来增强结构的整体性，对提高结构的鲁棒性有 重要意义重要意义 uu如砌体结构中的圈梁和构造柱，不仅可显著提高如砌体结构中的圈梁和构造柱，不仅可显著提高 墙体的承载力和变形能力，更重要的是使得原来墙体的承载力和变形能力，更重要的是使得原来 较为松散的块体结构被这些圈梁和构造柱连接形较为松散的块体结构被这些圈梁和构造柱连接形 成整体，极大的提高了结构的抗震鲁棒性成整体，极大的提高了结构的抗震鲁棒性 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 唐山地震，唐山地震，19761976年年7 7月月2828日，死亡日，死亡242,769242,769人人 增强结构的整体牢固性增强结构的整体牢固性 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 增强结构的整体牢固性增强结构的整体牢固性 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 增强结构的整体牢固性增强结构的整体牢固性 uu增强结构的整体牢固性，一般可通过可靠的连接增强结构的整体牢固性，一般可通过可靠的连接 或增强连接构造措施来实现，如原来铰接连接改或增强连接构造措施来实现，如原来铰接连接改 为刚结连接。为刚结连接。 uu对于装配式结构，加强构件间的连接构造措施特对于装配式结构，加强构件间的连接构造措施特 别重要，如预制楼板之间，应采取措施将板端钢别重要，如预制楼板之间，应采取措施将板端钢 筋拉结，使楼板形成整体。筋拉结，使楼板形成整体。 uu这种措施，通常费用增加较少，只是需要在设计这种措施，通常费用增加较少，只是需要在设计 中提高增强连接构造的意识，并加强施工管理即中提高增强连接构造的意识，并加强施工管理即 可。可。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 增强结构的整体牢固性增强结构的整体牢固性 uu显然，整体现浇混凝土结构，由于其整体性好，因而具有显然，整体现浇混凝土结构，由于其整体性好，因而具有 较好的抗震鲁棒性。较好的抗震鲁棒性。 uu而相对于钢结构，尽管钢构件本身具有较好的延性，但如而相对于钢结构，尽管钢构件本身具有较好的延性，但如 果过多的采用螺栓连接，其整体性反而较差。果过多的采用螺栓连接，其整体性反而较差。 uu即使是焊接，由于焊接区域材料的强度有可能低于钢构件即使是焊接，由于焊接区域材料的强度有可能低于钢构件 本身的强度，可能导致连接部位先于构件破坏，使得在罕本身的强度，可能导致连接部位先于构件破坏，使得在罕 遇地震下结构的整体性丧失。遇地震下结构的整体性丧失。 uu美国世贸大厦产生连续垮塌的原因之一，就是楼盖结构与美国世贸大厦产生连续垮塌的原因之一，就是楼盖结构与 框筒结构的连接薄弱。框筒结构的连接薄弱。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 多重抗震结构体系多重抗震结构体系 uu多重抗震结构体系就是具有多重抗震结构体系就是具有两个以上的整体性两个以上的整体性 关键构件关键构件的结构体系，当其中的一个整体性关的结构体系，当其中的一个整体性关 键构件在罕遇地震下遭受一定程度的破坏，第键构件在罕遇地震下遭受一定程度的破坏，第 二个整体性关键构件依然可以使得整个结构具二个整体性关键构件依然可以使得整个结构具 备一定的抗震能力。备一定的抗震能力。 uu束筒结构、筒中筒结构、框架剪力墙结构等束筒结构、筒中筒结构、框架剪力墙结构等 都是具有多重抗震体系的结构。都是具有多重抗震体系的结构。 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 鲁棒性与冗余度鲁棒性与冗余度 n n 与结构鲁棒性相关的另一个概念是结构的与结构鲁棒性相关的另一个概念是结构的冗余度冗余度 redundancyredundancy n n 结构的冗余度，即结构的超静定次数。结构的冗余度，即结构的超静定次数。 n n 但对结构鲁棒性来说，冗余度意味着具有但对结构鲁棒性来说，冗余度意味着具有备用传备用传 力路径力路径，也即当意外事件造成结构中的某一构件，也即当意外事件造成结构中的某一构件 或局部破坏而丧失其承载能力，其原有传力功能或局部破坏而丧失其承载能力，其原有传力功能 可转由结构其它未破坏部分传递，称为可转由结构其它未破坏部分传递，称为备用传力备用传力 路径路径和和备用传力能力备用传力能力。 n n 冗余度大的结构，整体性好，备用传力路径多和冗余度大的结构，整体性好，备用传力路径多和 备用传力能力大，其鲁棒性也高。备用传力能力大，其鲁棒性也高。 提纲提纲 n n 结构鲁棒性的概念和意义结构鲁棒性的概念和意义 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 n n 结构破坏模式与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性 n n 结构的承载力和延性与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性 n n 赘余构件与鲁棒性赘余构件与鲁棒性 n n 结语结语 uu结构的破坏模式可以分为结构的破坏模式可以分为整体型破坏模式整体型破坏模式和和局部局部 型破坏模式型破坏模式。 uu具有整体破坏模式的结构有：强柱弱梁框架结构具有整体破坏模式的结构有：强柱弱梁框架结构 、剪力墙结构、筒体结构、束筒结构、巨型框架、剪力墙结构、筒体结构、束筒结构、巨型框架 结构等；结构等； uu而框支结构、积木式结构（砌体结构）则往往容而框支结构、积木式结构（砌体结构）则往往容 易产生局部式破坏模式，也即结构局部的损坏即易产生局部式破坏模式，也即结构局部的损坏即 可能导致整体结构的严重破坏、并造成重大灾害可能导致整体结构的严重破坏、并造成重大灾害 。 uu只有对于具有整体式破坏模式的结构，提高结构只有对于具有整体式破坏模式的结构，提高结构 鲁棒性的措施才具有实际意义鲁棒性的措施才具有实际意义。 n n 结构破坏模式与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性 uu具有整体型破坏模式的结构，其具有整体型破坏模式的结构，其结构体系中构件结构体系中构件 的重要性层次明确的重要性层次明确，即具有整体型关键构件、一，即具有整体型关键构件、一 般构件、次要构件和赘余构件，次要构件和赘余般构件、次要构件和赘余构件，次要构件和赘余 构件的破坏，乃至从结构去除，都不会对整体结构件的破坏，乃至从结构去除，都不会对整体结 构的安全性有重大影响。构的安全性有重大影响。 uu从结构抵御意外事件角度来看，整体型破坏模式从结构抵御意外事件角度来看，整体型破坏模式 的结构可以使得更多的（次要或赘余）构件破坏的结构可以使得更多的（次要或赘余）构件破坏 ，有利于耗散更多的能量。，有利于耗散更多的能量。 n n 结构破坏模式与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性 uu对于普通框架结构，尽管采取了对于普通框架结构，尽管采取了“ “强柱弱梁强柱弱梁” ”等抗震设计等抗震设计 概念和措施，但柱底塑性铰是难以避免的，同时由于地概念和措施，但柱底塑性铰是难以避免的，同时由于地 震作用对结构影响的随机性，其它楼层框架柱上端出现震作用对结构影响的随机性，其它楼层框架柱上端出现 塑性铰的可能性也难以避免，因此即使是塑性铰的可能性也难以避免，因此即使是“ “强柱弱梁强柱弱梁” ”型型 框架结构，也难以避免会出现局部式破坏模式。框架结构，也难以避免会出现局部式破坏模式。 n n 结构破坏模式与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性 uu对于普通框架结构，尽管采取了对于普通框架结构，尽管采取了“ “强柱弱梁强柱弱梁” ”等抗震设计等抗震设计 概念和措施，但柱底塑性铰是难以避免的，同时由于地概念和措施，但柱底塑性铰是难以避免的，同时由于地 震作用对结构影响的随机性，其它楼层框架柱上端出现震作用对结构影响的随机性，其它楼层框架柱上端出现 塑性铰的可能性也难以避免，因此即使是塑性铰的可能性也难以避免，因此即使是“ “强柱弱梁强柱弱梁” ”型型 框架结构，也难以避免会出现局部式破坏模式。框架结构，也难以避免会出现局部式破坏模式。 uu相比而言，剪力墙结构的破坏具有更显著的整体型破坏相比而言，剪力墙结构的破坏具有更显著的整体型破坏 模式特征，这是大量震害经验显示剪力墙结构抗震性能模式特征，这是大量震害经验显示剪力墙结构抗震性能 优于框架结构的重要原因之一，而两种结构的优于框架结构的重要原因之一，而两种结构的“ “刚柔刚柔” ”之之 争对地震作用大小的影响则相对是次要的。争对地震作用大小的影响则相对是次要的。 uu同样，筒体结构、束筒结构、巨型框架结构等也是具有同样，筒体结构、束筒结构、巨型框架结构等也是具有 更显著的整体型破坏模式特征的结构。更显著的整体型破坏模式特征的结构。 。 n n 结构破坏模式与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性 uu为了使得结构具有整体型破坏模式，可以将结构为了使得结构具有整体型破坏模式，可以将结构 划分为不同的子结构。对于重要的子结构可提高划分为不同的子结构。对于重要的子结构可提高 其结构材料强度和承载力安全储备，并使得这些其结构材料强度和承载力安全储备，并使得这些 子结构对整体结构的破坏模式起到控制作用。子结构对整体结构的破坏模式起到控制作用。 uu尼加拉瓜的美洲银行就是最典型的例子；上海东尼加拉瓜的美洲银行就是最典型的例子；上海东 方珠电视台也是一个很好的例子。方珠电视台也是一个很好的例子。 n n 结构破坏模式与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性 尼加拉瓜美洲银行尼加拉瓜美洲银行 尼加拉瓜美洲银行平面尼加拉瓜美洲银行平面 北北 京京 通通 用用 时时 代代 1 1 楼楼 北北 京京 通通 用用 时时 代代 1 1 楼楼 提纲提纲 n n 结构鲁棒性的概念和意义结构鲁棒性的概念和意义 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 n n 结构破坏模式与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性 n n 结构的承载力和延性与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性 n n 赘余构件与鲁棒性赘余构件与鲁棒性 n n 结语结语 uu结构的鲁棒性高，意味着结构有更高的安全储备结构的鲁棒性高，意味着结构有更高的安全储备 uu通常人们所理解的结构的安全储备，是指结构的通常人们所理解的结构的安全储备，是指结构的 最大承载力与使用荷载的比值。最大承载力与使用荷载的比值。 uu实际上，实际上，延性大小也是结构安全储备的重要组成延性大小也是结构安全储备的重要组成 部分部分。 uu从结构冗余度观点来看，脆性构件的破坏通常导从结构冗余度观点来看，脆性构件的破坏通常导 致与该构件相关联的所有冗余度均丧失，而延性致与该构件相关联的所有冗余度均丧失，而延性 构件的破坏则不会导致与该构件相关联的所有冗构件的破坏则不会导致与该构件相关联的所有冗 余度同时丧失，即余度同时丧失，即延性构件对于维持整体结构的延性构件对于维持整体结构的 冗余度具有重要作用冗余度具有重要作用。 n n 结构的承载力和延性与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性 uu结构和构件的延性对结构抗震的意义有以下几方结构和构件的延性对结构抗震的意义有以下几方 面：面： uu(1) (1) 实际意义上结构破坏的定义，是以结构达到实际意义上结构破坏的定义，是以结构达到 极限变形能力为依据的。延性是结构抗破坏能力极限变形能力为依据的。延性是结构抗破坏能力 的重要指标。足够的延性能力有利于避免结构的的重要指标。足够的延性能力有利于避免结构的 突然倒塌。突然倒塌。 uu(2) (2) 对于超静定的结构，足够的延性有利于充分对于超静定的结构，足够的延性有利于充分 的内力重分布，有利于提高整体结构的承载力，的内力重分布，有利于提高整体结构的承载力， 显著增加整体结构的鲁棒性。显著增加整体结构的鲁棒性。 uu(3) (3) 对于地震等动力作用，延性和滞回耗能有助对于地震等动力作用，延性和滞回耗能有助 于减小结构的地震动力响应。于减小结构的地震动力响应。 n n 结构的承载力和延性与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性 uu需引起注意是，在讨论结构延性问题时，不能仅仅局限需引起注意是，在讨论结构延性问题时，不能仅仅局限 于延性系数，而要将结构的延性与结构的破坏模式联系于延性系数，而要将结构的延性与结构的破坏模式联系 起来。起来。 uu对于抗震结构来说，对于抗震结构来说，整体结构的延性比局部构件的延性整体结构的延性比局部构件的延性 更为重要更为重要。 uu比如说，延性系数达到比如说，延性系数达到6 6的框支结构，其抗震性能和鲁棒的框支结构，其抗震性能和鲁棒 性不可能好于延性系数只有性不可能好于延性系数只有3 3的剪力墙结构。的剪力墙结构。 uu通常，构件的延性是保证出现塑性铰部位的变形能力和通常，构件的延性是保证出现塑性铰部位的变形能力和 耗能能力。耗能能力。 uu而结构的延性与构件的延性既有联系，又有区别而结构的延性与构件的延性既有联系，又有区别 uu结构的延性反映的是整体结构在某种荷载下的宏观变形结构的延性反映的是整体结构在某种荷载下的宏观变形 能力。能力。 n n 结构的承载力和延性与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性 n n 具有整体破坏模式的结构，结构中大部分构件的具有整体破坏模式的结构，结构中大部分构件的 延性得以充分发挥，结构的鲁棒性大；延性得以充分发挥，结构的鲁棒性大； n n 而局部破坏模式，即使局部破坏部位构件的延性而局部破坏模式，即使局部破坏部位构件的延性 很大，其结构鲁棒性也不好。很大，其结构鲁棒性也不好。 n n 因此，结构延性也只有对具有整体破坏模式的结因此，结构延性也只有对具有整体破坏模式的结 构才有意义。构才有意义。 n n 比如说，延性系数达到比如说，延性系数达到6 6的框支结构，其抗震性的框支结构，其抗震性 能和鲁棒性不可能好于延性系数只有能和鲁棒性不可能好于延性系数只有3 3的剪力墙的剪力墙 结构。结构。 n n 结构的承载力和延性与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性 提纲提纲 n n 结构鲁棒性的概念和意义结构鲁棒性的概念和意义 n n 结构破坏的定义结构破坏的定义 n n 结构体系与鲁棒性结构体系与鲁棒性 n n 结构破坏模式与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性 n n 结构的承载力和延性与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性 n n 赘余构件与鲁棒性赘余构件与鲁棒性 n n 结语结语 uu赘余构件是一种特殊的次要构件，对增加结构的赘余构件是一种特殊的次要构件，对增加结构的 鲁棒性具有重要意义，甚至是十分重要的。鲁棒性具有重要意义，甚至是十分重要的。 uu许多消能减震结构，特别是采用位移型阻尼器的许多消能减震结构，特别是采用位移型阻尼器的 消能减震结构，位移型阻尼器实际上都是一种赘消能减震结构，位移型阻尼器实际上都是一种赘 余构件。余构件。 n n 赘余构件与鲁棒性赘余构件与鲁棒性 new san fran