极端荷载下结构的倒塌问题与思考

极端荷载下结构的倒塌问题与思考1.极端荷载下结构倒塌事故概况2.抗倒塌的规范情况3.代表性的研究成果介绍4.几点思考主要内容极端荷载爆炸（炸弹爆炸、爆破拆除、油气等化工爆炸、核电站爆炸）地震火灾人为失误碰撞飓风大雪。。。。。特点：偶然性，多数属于动力荷载，可能造成灾难性后果。爆炸——煤气爆炸1968年5月16日，英国伦敦22层、64m高的RonanPoint公寓连续性倒塌在18层角部发生燃气爆炸引发连续性倒塌。多米诺骨牌式垮塌1995年4月19号美国俄亥俄洲的Murrah联邦大厦发生恐怖炸弹袭击事件。汽车炸弹在距离大厦4.75m的地方被引爆。Murrah联邦大厦是传统的钢筋混凝土框架结构，大楼两主轴方向东西长67.1m，南北长304m，12.2m的转换大梁支撑3根3-9层的柱子。汽车炸弹炸毁了结构的底层柱并击穿了楼板与转换大梁。由于失去转换大梁与楼板的支撑，旁边的底层柱随后因为失稳发生破坏从而导致其上部分相继发生破坏。最终结构一侧发生整体倒塌。爆炸——恐怖袭击爆炸——恐怖袭击911中的纽约世贸大厦1962年—1977年，世界贸易中心从设计到施工完成，最初可容纳5万名工作人员。1993年2月26日，21号大楼地下室被恐怖分子袭击，伊斯兰极端份子在地下室放置炸弹，导致6人死亡，约有1000人受伤。后来这些恐怖份子都被判处240年的徒刑。2001年9月11日，世贸中心被恐怖份子用民航客机自杀攻击而撞毁，两幢110层摩天大楼最终倒塌。爆破拆除2009年12月30日，广西柳州市爆破拆除22层高层公寓失败，被劈成两半的大楼一半倒塌，一半斜立原地。爆破拆除2005年1月14日下午，四川宜宾市广播电视大学一幢6层旧教学楼实施定向爆破。16时作用，在打爆破孔过程中，该楼西侧突然发生坍塌，垮塌面积约1800m2，现场作业11名施工人员被掩埋在废墟中。2001年11月16日，青海西宁一个商住楼两次爆破均失败。楼房坐落1层后非但没有倒下，而是成为倾斜20度的斜楼。爆破拆除2004年11月2日，中科院成都分院有一个世界最大面积的泥石流模拟试验厅，定向爆破拆除不成功，不得不采用机械拆除。石油平台油气爆炸PiperAlpha平台位于英国北海中部，是8桩腿的钻进/生产平台。1988年7月6日约22时阿尔法平台上泄漏出来的天然气冷凝液发生爆炸。约22时20分气体立管发生破裂再次发生大爆炸，其后又发生一系列爆炸，整个平台结构坍塌，倒入海中。当时平台上共226人，其中165人死亡，61人生还，另2名救援人员死亡。直接经济损失近28.7亿英镑，产量损失13.5亿英镑，税收损失7.7亿英镑。事故原因：没有完成的检修作业+信息交流不足的交班+安全管理不当=灾难石油平台油气气爆炸平台名称：深深水地平线。。长112m，宽78m，高97.4m，吃水23m。位于美国新奥奥尔良东南130英里处。作业业者：BP造价3.5亿美元，日费费50万美元。人员员：126人事故经过：2010年4月20日，该近海钻钻井平台发生生爆炸，平台台燃烧36小时后，造成成11人失踪，115人获救（17人受伤）。石油平台油气气爆炸深水地平线事事故后果：给BP公司带来巨大大经济损失：：事故发生两两周内BP股票下挫17%，市值蒸发近近320亿美元。BP面临数十亿美美元的赔偿，，2009年该公司利润润为166亿美元。生态态带来灾难：：生态平衡被被破坏。海洋平台倒塌塌的最终原因因往往是长时时间燃烧，但但爆炸往往是是灾难的起点点，加剧损失失。全球核电站分分布当前世界上已已有450多座核反应堆堆电站并网发发电，核电总总装机容量已已达3.5亿kw以上，约占世世界发电总量量的17%。1986年4月26日，前苏联切切尔诺贝利核核电站发生世世界上最严重重的核事故。INES等级达到7级的核事故。。辐射云覆盖欧欧洲东部、西西部和北部大大部分地区，，有超过33.5万人被迫撤离离疏散区。此此次核事故的的直接死亡人人数为53人，另有数千千人因受到辐辐射患上各种种慢性病。核电站事故-爆炸福岛第一核电电站位于东京京东北部170英里，是世界界上规模最大大的核电站之之一。2011年3月11日，日本发生生9级大地震，引引起的断电导导致反应堆冷冷却剂泵停止止工作。存放放在地势较低低地区的备用用柴油发电机机也在地震引引发的海啸中中严重受损。。INES等级达到7级的核事故。。核电站事故-爆炸中国百年大地地震一览图地震：新中国成立以以来发生6.5级以上的强震震55次汶川地震连续续性倒塌实例例校舍连续性倒倒塌都江堰聚源中中学教学楼倒塌后结构组成形式式右一：预制板板与进深梁无无拉结；右二：进深梁梁下无构造柱柱。汶川地震连续续性倒塌实例例小震不坏、中中震可修、大大震不倒。设设防大震比设设防中震高一一度。地震具有高度度不确定性，，很多6、7度地震区发生生了超过规范范设定“大震震”等级的地地震，可称为为“巨震”。。例如汶川震震中达11度。。当结结构构遇遇到到高高于于设设防防大大烈烈度度时时怎怎样样设设计计？小震震不不坏坏、、中中震震可可修修、、大大震震不不倒倒、、巨巨震震避避巨震震的的抗抗倒倒塌塌设设计计时间地点震级死亡(伤)人数1976年7月28日河北省唐山市7.8级24万2003年12月26日伊朗克尔曼省东南部6.6级5万2004年2月24日摩洛哥北部山区6.5级28万2005年2月22日伊朗东南部克尔曼省6.4级602(991)2005年3月28日印尼苏门答腊岛附近海域6.4级13002005年10月8日巴基斯坦首府伊斯兰堡7.8级8.6万(10万多人)2006年5月27日印尼爪哇岛6.2级57822006年7月17日印尼爪哇岛南部海域7.7级6682007年8月15日秘鲁8.0级5102008年5月12日四川省汶川县8.0级69225(374640)2010年1月12日加勒比岛国海地7.0级22.25万(19.6万)2010年4月14日青海省玉树县7.1级22202011年3月11日日本宫城县以东海域9.0级13232通过过上上述述事事故故案案例例分分析析得得：：结构构体体系系的的复复杂杂性性在在日日益益增增加加。。结构构倒倒塌塌及及次次生生灾灾害害是是造造成成人人员员伤伤亡亡的的真真正正““元元凶凶””。。重重大大工工程程破破坏坏、、倒倒塌塌的的社社会会综综合合影影响响日日益益严严重重。。自然然灾灾害害、、人人为为失失误误以以及及设设备备老老化化都都是是无无法法回回避避的的现现实实。。当前前面面临临的的问问题题并并不不是是未未来来是是否否会会发发生生另另一一场场重重大大事事故故，，而而是是“何时时”发生生。。极端端荷荷载载下下结结构构的的破破坏坏、、倒倒塌塌、、防防护护问问题题会会成成为为将将来来一一个个重重要要的的社社会会关关注注和和研研究究热热点点。。倒塌塌事事故故小小结结定义义：：建建筑筑结结构构的的连连续续性性倒倒塌塌(ProgressiveCollapse)是指指结结构构部部分分构构件件或或局局部部发发生生破破坏坏后后其其周周围围构构件件相相继继发发生生破破坏坏甚甚至至导导致致整整个个结结构构完完全全倒倒塌塌的的现现象象。。特点点：：破破坏坏具具有有““连连续续性性””与与““不不成成比比例例性性”，即即随随后后的的破破坏坏紧紧随随最最初初的的破破坏坏，，且且最最终终破破坏坏的的范范围围远远大大于于初初始始破破坏坏[Ellingwood.B,1978]。连续续性性倒倒塌塌破破坏坏往往往往由由非非常常规规荷荷载载作作用用引引起起，，非非常常规规荷荷载载包包括括炸炸弹弹爆爆炸炸、、汽汽车车撞撞击击、、地地震震、、海海啸啸等等作作用用。。连续续性性倒倒塌塌的的定定义义1.极端端荷荷载载下下结结构构倒倒塌塌的的事事故故概概况况2.抗倒倒塌塌的的规规范范情情况况3.代表表性性的的研研究究成成果果介介绍绍4.几点点思思考考主要要内内容容国外外抗抗连连续续倒倒塌塌设设计计规规范范现现状状英国国：：BuildingRegulation,BSl00混凝凝土土规规范范加拿拿大大：：NationalBuildingCodeforCanada欧洲：Eurocode1美国：《联邦政政府办公公楼以及及大型现现代建筑筑连续倒倒塌分析析和设计日本：《倒塌控制设计指南》中国：？各国规范范编制时时间表英国是1976年在BuildingRegulation中规定：结构在偶然荷载下不应发生与初始破坏不相称的大面积坍塌，并提出了拉结强度设计，构件的跨越能力设计以及关键构件设计三种设计方法。BSl00混凝土规范中规定：结构不应存在明显薄弱层，且每个楼层应能承受该楼层自重1.5％的水平荷载，以保证结构在意外荷载下的稳定性。

英国将抗连续倒塌设计方法纳入规范已有近40年的历史，实践证明这些方法有一定的成效。多年来英国规范对世界其它各国的抗连续倒塌规范都产生了很大的影响。在RonanPoint公寓倒塌塌事件发发生后，，加拿大大也是做做出反应应较早的的国家。。其现行建建筑规范范(NBCC)强调结结构关关键构构件和和关键键节点点的设设计，，指出出设计计中应应提供供多传传力路路径（（增大大冗余余度））。应保证证结构构的完完整性性，并并建议议设计计中应应考虑虑所有有发生生概率率在0.01％以上上的极极限荷荷载，，以防防止突突发条条件下下结构构连续续倒塌塌的发发生。。Eurocode1规定结结构必必须具具有足足够的的强度度以抵抵御可可预测测及不不可预预测的的意外外荷载载。该该规范范采用用了与与英国国规范范类似似地设设计方方法：：拉结强强度法法；拆除构构件法法；关键构构件法法。该规范范更注注重提提高结结构的的整体体性、、延性性和冗冗余度度来提提高结结构抗抗连续续倒塌塌的能能力。。规范范中明明确了了结构构的两两个设设计层层次：：基于具具体的的意外外事件件；独立于于意外外事件件，其其设计计目的的在于于控制制意外外事件件造成成的局局部破美国是受恐恐怖袭击较较严重的国国家，近年年来很多机机构和部门门都对结构构抗连续倒倒塌的设计计规范作出出了规定。。美国混凝凝土协会ACI规定了一系系列提高结结构延性和和完整性的的措施。美国公共事事业管理局局(GSA)2003年制定了判判断建筑物物是否可以以免于进行行抗连续倒倒塌分析的的流程，考考虑了建筑筑物的用途途、安全等等级、使用用年限以及及材料、结结构形式等等因素。另另外，该指指南还建议议了一些设设计概念，，以提高新新建建筑的的抗连续倒倒塌能力，，包括提高结结构冗余度度、延性、、连续性以以及考虑反反向荷载作作用等。美国国防部部(DoD)2005/2009年制定的规规范中指出出，国防设设施应具有有抵抗不可可预测事件件造成的结结构连续倒倒塌风险的的能力。该该规范将建建筑抗连续续倒塌设计计分为两级级：对于低安全全等级的结结构应保障障其水平和和竖向拉结结强度；对对于高等级级的建筑除除保障其水水平、竖向向拉结强度度外，还需需满足ASCE-7介绍的多路路径传递法法的要求，，以及结构延延性和完整整性的要求求。2001年美国世贸贸大楼倒塌塌后，通过过考察局部部构件失效效和火灾事事故下钢构构件强度退退化对高层层建筑承载载性能的影影响，研究究了冗余度度对抵抗结结构连续性性倒塌破坏坏的作用和和高性能耐耐火钢的开开发应用前前景，并提提出了简单单的高层建建筑抗倒塌塌设计验算算方法；另另外，对大大跨空间结结构的敏感感性分析也也作了一定定的研究工工作。作为这项研研究成果，，日本钢结构构协会和美美国高层建建筑与城市市生态环境境委员会联联合编制了了《倒塌控制设设计指南》，分设计计卷和研研究卷两两卷。[1]JapaneseSocietyofSteelConstruction&CouncilonTallBuildingsandUrbanHabitat．GuidelinesforCollapseControlDesign-ConstructionofSteelBuildingswithHighRedundancy[S]．2004．我国规范范还没有有在抗连连续性倒倒塌方面面做出明明确规定定，只是是在GB50010《混凝土结结构设计计规范》的第3.1.6条中规定定：结构应具具有整体体稳定性性，结构构的局部部破坏不不应导致致大范围围的倒塌塌。规范只对对结构抗抗连续倒倒塌进行行了定性性的说明明，并没没有具体体的方法法和要求求，缺乏乏可操作作性。规范比较较

规范名称

对比内容GSA2003DoD2005DoD2009抗倒塌建筑分类标准无按防护水平划分为高、中、低很低四个级别按容纳人数及使用功能划分为I、II、III、IV四个级别荷载组合1.0D+0.25L1.2D+0.5L+0.2W1.2D+0.5L+LLat拆除构件的位置首层柱或墙所有楼层柱或墙同DoD2005分析方法（拆除构件法）静（动）力线性静（动）力非线性静力线性静（动）力非线性同DoD2005倒塌范围限制被拆除构件之上楼层的坍塌面积小于167平方米（334平方米）或与拆除的竖向构件相连跨度:取最小值被拆除构件之上楼层的坍塌面积小于70平方米（140平方米）或该楼层总面积的15%(30%):取最小值不允许任何结构构件发生倒塌破坏RLIF2.02.00.9+1.1/CIF钢框架1.2+0.8/CIFRC框架DIF（变形控制）2.02.01.08+0.76/(Qpra/Qy+0.83)钢框架1.04+0.45/(Qpra/Qy+0.48)RC框架DCR2.0规则结构1.5不规则结构1.01.0最大允许塑性转角(rads)(RC框架角)0.1050.105（低级）0.0698（中高级）与梁断面尺寸、纵筋配筋率、配筋率等因素有关注：DCR指需求能能力比CIF指抗力增增大系数数RLIF指相对荷荷载增大大系数DIF指动力放放大系数数θpra指框架梁梁端的塑塑性转角角θy指框架梁梁端的屈屈服转角角1.极端荷载下结结构倒塌的事事故概况2.抗倒塌的规范范情况3.代表性的研究4.几点思考主要内容代表性的研究究成果介绍1.爆破荷载下构构件的试验及及数值模拟。。代表性的研究究成果介绍2.按照GSA或DoD规范，采用““去柱”的方方法，对现有有结构的抗倒倒塌性能评价价。代表性的研究究成果介绍3.结构倒塌的数数值模拟（离离散元方法））代表性的研究究