结构抗连续倒塌设计理论——拆除构件法

1、结构抗连续倒塌设计理论拆除构件法什么是拆除构件法（备用荷载路径法）？如何拆除关键构件？倒塌准则钢筋混凝土框架结构破坏机制荷载组合汶川地震中的都江堰某三层框架填充墙结构震害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 图1 结构布置图Fig1.Structure

2、Layout of the First Floor注:这里将轴称为段,将轴称为段Noting: Here called the segment as ,called the segment as 两段结构布置非常近似抗震缝两层的破坏情况极为不同,一段倒塌,一段虽然发生框架屈服破坏，但整体结构没有发生倒塌震害特点段震害 段震害 段一层框架柱破坏 段二层楼板落在地面上段一层框架柱错断段窗间框架柱钢筋屈服，混凝土剥落是什么原因导致两侧震害如此不同？设计原因？施工原因？场地原因？是否满足设计规范？两侧结构差异是否很大？同一设计单位同一施工单位在同一场地上材料强度满足？表1 、段结构平面布置比较结构平面

3、布置异同点一层（标高3.900）二层（标高7.500）相同点：相应位置框架柱配筋完全相同，横向跨度方向配筋梁完全相同，纵向跨度方向框架梁配筋近似；不同点：纵向跨度有差别，段右上角（见图1）为卫生间，楼板为现浇板，计算荷载稍有增大三层（标高11.100）相同点：同上不同点：段13轴AF轴、46轴AF轴范围内无楼板，仅有框架梁，楼板开洞比率为65%，其余部分钢筋混凝土现浇板；段811轴AF轴、1214轴AF轴范围内无楼板，仅有框架梁楼板开洞比率为82.8%，其余部分为钢筋混凝土现浇板四层（坡屋顶，标高11.90015.170）相同点：同上不同点：段13轴AF轴、46轴AF轴范围内存在坡屋顶，坡屋顶

4、投影面积524.16m2；段811轴AF轴、1214轴AF轴范围内存在坡屋顶，坡屋顶投影面积629.50m2 两侧结构非常类似结构弹塑性阶段的计算分析由于结构被沉降缝分为两个部分，因此，在进行Y（AF轴方向）方向Pushover分析时，将结构分为、两个部分分别进行。计算结果如下：表2 在罕遇地震下的层间位移角设防烈度场地类别/设计分组结构的最大层间位移角段段7度类，第1设计分组1/1781/1638度类，第1设计分组1/731/71类，第2设计分组1/621/61 填充墙布置表3 填充墙布置概况层数使用功能填充墙位置填充墙材料段1商铺，酒店大厅2、3、6轴上， 4、5轴的CD轴间黏土空心砖，6

5、孔2酒店客房加气混凝土砌块进行房间分割，砌块厚度约10厘米，非常轻，沿框架柱及围护墙体贴砌，无采用构造联结3酒店客房段1商铺无2洗浴中心基本无填充墙3茶楼基本无填充墙段1层填充墙布置(填充红色者)及相应震害情况段2.3层填充墙布置(填充绿色者)4、5轴柱,破坏处混凝土剥落，纵向钢筋屈服，应该失去了竖向承载能力，至少是绝大部分竖向承载能力，但结构并未因此而倒塌，与之连接的填充墙承担了竖向力。框架柱被破坏后，结构内力重分布，填充墙也不可避免地承担了竖向力。研究结论1段一层填充墙与地震作用方向大致成45度夹角，地震力未全部作用在横向框架上，填充墙破坏程度较轻。汶川地震波主要作用方向 研究结论2与地震

6、作用主方向垂直的墙体，有抗倒塌作用强调：一般结构设计结构抗连续倒塌设计计算模型整个完好结构部分构件失效退出工作后，剩余结构荷载类型永久荷载与作用可变荷载与作用偶然荷载与作用设计目标保证所设计的结构具有足够的安全度,也即失效概率足够小容许结构局部发生严重破坏和失效未破坏的剩余结构能有效承受因局部破坏后发生的荷载和内力重分布,不至于短时间内造成结构的破坏范围迅速扩散而导致大范围、甚至整个结构的坍塌。概念设计法以定性设计为主，其中有些定性设计通过定量设计予以实现拉结构件法设置竖向、水平通长钢筋，并采取有效的连接锚固措施，将结构连成一个整体。拆除构件法最常用设计方法，美国有关标准称为AP法（Alter

7、nate Path Method).首先从结构模型中移除按一定规则选定的一根受力构件，模拟结构构件瞬间失效，然后对剩余结构在规定的荷载作用下进行力学计算，由剩余结构构件的内力和变形，根据规定的接受准则，评定是否导致其它构件失效。局部加强法0 上节回顾1 什么是拆除构件法？也叫备用荷载路径法(Alternate Path Method，AP)，即将结构中的部分构件拆除，模拟结构的初始破坏，通过有限元法分析结构中部分构件拆除后剩余结构的强度和变形，判断结构是否会发生连续倒塌。如果结构发生连续倒塌，则通过增强拆除后的剩余构件来避免连续倒塌，这种方法的实质是增强结构的冗余度，提供有效的备用传力路径 。

8、英国规范（ODPM, 2004; BSI, 2002）欧洲规范（CEN, 2004; CEN, 2006）美国规范（ASCE, 2005；ACI, 2008）美国还制定了专门的抗连续倒塌设计规范（GSA, 2003；Do D, 2010），相对于通用规范（如英国规范、欧洲规范）的原则性规定，专门的抗连续倒塌设计规范对抗连续倒塌设计目标、计算分析方法和结构构造要求等进行了更详细的规定。 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2010（中华人民共和国住房和城乡建设部, 2010）混凝土结构设计规范 GB50010-2010（中华人民共和国住房和城乡建设部, 2010）仅涉及简单的抗连续倒塌设计原则

9、和基本设计要求。专门规范：建筑结构倒塌设计规范（CECS392:2014）（中国计划出版社，2014年） 19规定了比较详细的流程和设计参数，可操作性强；仅要求采用相应的设计方法，但并没有规定具体操作流程和参数；表示没有采用该方法。应用范围：拆除构件法应用于以下两种情况：1）如果结构构件或节点的竖向拉结强度不足，设计者可采用拆除构件法设计，使得该构件破坏后结构能跨越该构件而不坍塌。2）对于中、高安全等级的，应采用拆除构件法。2 如何拆除构件？2.1 针对确定的偶然荷载2.2 针对不确定的偶然荷载2.1 针对确定的偶然荷载正线列车脱轨撞击下雨棚整体性分析(a) 雨棚一(b) 雨棚二目的：确定正线

10、列车脱轨撞击时结构柱的破坏根数雨棚柱直径（mm）柱间距（m）15182124273033600撞击根数3333222撞断根数2222222700撞击根数3332222撞断根数2222221800撞击根数3322222撞断根数2222111900撞击根数2222222撞断根数1111111950撞击根数2222222撞断根数1111111雨棚柱正撞拆除根数小结：（1）拆除两根柱时，雨棚结构不会发生连续倒塌。（2）边柱失效对雨棚抗连续倒塌性能影响大于中柱。（3）平面张弦梁结构应减小各榀张弦梁间距，加强平面外纵向联系：应提高屋面檩条的拉结作用，檩条与上弦梁的连接宜为固结连接方式。2.2 针对不确定的

11、偶然荷载GSA2003（GSA, 2003）规定仅拆除底层典型部位的框架柱，对上部结构的柱不作要求；Do D2010（Do D, 2010）对内部柱仅要求拆除位于底层的即可，对于上部结构的内部柱不作拆除要求，其他典型部位的框架柱 Do D2010 均要求拆除分析。这种规定原因是：结构的地下停车场、首层结构易遭受炸弹袭击而失效；上部结构的外围易遭受飞行物撞击和燃气爆炸的作用而失效。（1）外围柱的拆除至少应该拆除一根外围柱的位置包括：结构短边中间处、长边中间处和角部另外还包括建筑物几何尺寸发生明显变化处，如跨度突变处、凹角处、相邻柱所承受的荷载较轻处、开间具有不同尺寸处以及方向和立面不同的结构构件

12、仅针对框架和平板结构（2）内部柱的拆除对于结构的地下停车场和首层难以进行安全控制的区域，拆除结构短边中间处、长边中间处和无法控制区域角部的内部柱。设计者根据工程经验来判断其他还须拆除的位于无法进行安全控制的公共区域的柱。对于每个规定的拆除位置，只对地下停车场和首层进行AP 分析，而无需对结构的其他楼层进行分析。（3）保证节点的水平连续性（4）外围承重墙的拆除结构短边中间处、长边中间处和角部另外还包括建筑物几何尺寸发生明显变化处，如跨度突变处、凹角处、相邻柱所承受的荷载较轻处、开间具有不同尺寸处以及方向和立面不同的结构构件（5）内部承重墙的拆除对于结构的地下停车场和首层难以进行安全控制的区域（6

13、）拆除承重墙的长度对于建筑物非角段区域取两倍墙高，但不应小于开间宽度。对建筑物角部两个方向分别取一倍墙高，且不小于开间宽度。对于不是承重墙但与内部承重墙交接的外围墙段，每个方向分别取一倍墙高，且不小于开间宽度。对于外围墙不是承重墙但与内承重墙相交的位置，外围墙的拆除长度等于一倍墙高。3 连续倒塌判断准则 GSA2003（GSA, 2003）和 Do D2005（Do D, 2005）规定，预设构件拆除后，即结构发生初始破坏后，容许剩余结构发生后继破坏，从后继倒塌的范围（包括绝对面积和相对面积两个指标）来判断结构是否满足抗连续倒塌要求。这种判断准则在理论上符合连续性倒塌定义，但是结构的连续倒塌过

14、程中存在破坏、碰撞、堆载等一系列复杂力学行为，故实际操作难度较大。Do D2010修改了 Do D2005 规定，严格限制任何结构构件发生后继破坏（Do D, 2010），即某构件发生初始破坏后，剩余结构不能出现超过构件变形能力极限的塑性变形，但是这种严格的规定在工程界还存在争议。结构的连续倒塌失效准则定义为梁两端的相对位移达到跨度的 1/5。（1）外围柱/承重墙 对于外围墙/柱的拆除，破坏范围限制要求为，直接位于拆除构件上部的楼板的坍塌面积不得大于70m2（和15%楼板总面积的较小值，且直接额外位于拆除构件下方的楼板不能倒塌。另外任何与拆除构件无直接相连的结构部分都不应坍塌。(2)对于内部柱

15、/承重墙拆除对于内部墙/柱的拆除，破坏范围限制要求为，直接位于拆除构件上部的楼板的坍塌面积不得大于140m2和30%楼板总面积的较小值，且直接位于拆除构件下方的楼板不能倒塌。另外任何与拆除构件无直接相连的结构部分都不应坍塌。绝对面积和相对面积两个指标水平构件拉结设计的悬索机制和梁机制4 抗连续倒塌机制针对普通钢筋混凝土框架梁机制：在小变形范围内（结点位移小于跨度的十分之一），失去支撑的框架梁可以通过其抗弯承载力提供抗连续倒塌能力；悬链线机制：在大变形范围内（结点位移大于跨度的十分之一），失去支撑并贯通结点的框架梁可以通过其抗拉承载力提供抗连续倒塌能力。对于矩形轴网布置的典型 RC框架结构： (

16、1) 边缘柱破坏时，在小变形范围内，两个方向的框架梁以梁机制提供抗连续倒塌能力，在大变形范围内，只有边缘的贯通梁才能以悬链线机制提供抗连续倒塌能力，而垂直于边缘的框架梁在此阶段不能提供抗连续倒塌贡献；(2) 角部柱破坏时，框架梁仅能在小变形状态下以梁机制提供抗连续倒塌能力；(3) 内部柱破坏时，双向贯通的框架梁均可通过梁机制或悬链线机制提供抗连续倒塌能力。 5 荷载组合和材料强度取值结构连续倒塌属于极小概率事件时，荷载组合可仅考虑永久荷载和准永久荷载，本文建议荷载组合设计值可按下式计算：式中：SGk 为永久荷载标准值；Sqik 为竖向可变荷载(包括楼面、屋面活荷载和雪荷载)标准值；Sqwk 为风荷载标准值；qi 为可变荷载的准永久值系数；cw为风荷载组合值系数，取0.2；A 为动力放大系数，采用静力方法计算结构内力时，需考虑倒塌过程中的动力效应的影响。当构件直接