抗连续倒塌设计方法概述

抗连续倒塌设计方法概述第1页/共56页教学计划绪论部分第一周绪论专题一：基于性能的抗震设计理论第二周基于性能的抗震设计理论研究背景介绍第三周抗震设防水准与性能水准第四周Push-over分析方法第五周延性需求谱方法第六周机动时间1专题二：连续倒塌设计理论第七周连续倒塌设计理论研究背景第八周连续倒塌设计方法概述第九周设计方法1——构造措施方法第十周设计方法2——拆除构件法第十一周机动时间2专题三：钢-混凝土组合结构第十二周钢-组合结构研究进展第十三周混凝土本构模型介绍第十四周试验研究第十五周试验影响因素分析第十六周机动时间3总结部分第十七周提交论文第2页/共56页专题2：连续倒塌设计理论研究进展混凝土本构模型组合梁试验研究试验影响因素分析及结论专题3：钢-混凝土组合结构理论背景抗震设防水准性能水准设计方法专题1：基于性能的抗震设计理论绪论什么是现代建筑？现代建筑面临的问题本课程的主要内容教学计划和考评关注重点：研究进展、Push-over分析方法、延性需求谱、地震波选波问题。关注重点：研究进展，本构关系，试验方法研究的主要步骤及细节问题理论背景连续倒塌设计方法概述设计方法一设计方法二关注重点：研究进展、倒塌判别标准研究、拆除构件法第3页/共56页今天讲课内容Contentintoday'slecture连续倒塌的类型抵抗连续倒塌的思路抗连续倒塌的设计方法概述两个研究案例

第4页/共56页1

连续倒塌的类型①薄饼型该类型的主要特征是局部竖向承重构件发生初始破坏，上部结构失去有效支承而坍塌坠落，重力势能转化为动能，给下部结构造成一定的冲击，导致下部竖向承重构件继续破坏，整个连续性倒塌沿着结构的竖向进行。坍塌——建筑结构局部或整体从原有位置向下塌落的过程第5页/共56页②拉链型主要特征是初始局部破坏发生后，剩余结构在内力重分布和构件突然失效所产生的动力冲击作用下不断产生新的失效构件，形成新的内力重分布，直至结构的整体倒塌或剩余结构达到某一平衡状态。由于整个倒塌过程在内力重分布的作用下，如同拉拉链一般环环相扣，故以此命名。倾倒——建筑结构从某一高度或整体向一侧倒伏的破坏形式第6页/共56页③多米诺骨牌型顾名思义，该类型多发生在含有离散单元的结构体系中，其连续性倒塌过程如同推倒多米诺骨牌一样，例如输电线路上输电塔的连续性倒塌。第7页/共56页④失稳型该类型的主要特征是作为支承的受压构件因突然事件而失稳并丧失承载能力，剩余构件由于内力重分布或是其它原因相继失效破坏，该类型主要突出受压构件的失稳破坏对整体结构抗倒塌性能的影响。⑤混合型即在连续性倒塌过程中构件的力学性能表现不能完全归结为上述4类中的任何一种。第8页/共56页结构连续性倒塌的本质可归结为:意外事件作用下，结构原有支承模式或边界条件发生变化，部分构件因丧失承载能力而退出工作，并在结构中产生一定的动力效应;剩余结构在静力及动力的双重作用下进行内力重分布，寻找新的平衡状态，这一过程中不断有新的构件因强度、稳定或变形的原因而失效;最后剩余结构达到了新的平衡状态或是结构发生了整体倒塌。2

抵抗结构连续倒塌的思路第9页/共56页2

抵抗结构连续倒塌的思路①局部结构的加强根据研究对象的不同，可将局部结构加强的措施分为三种：局部构件的强度及延性的加强；结构局部关键节点的强度及延性的加强；结构冗余度的加强。第10页/共56页到发线到发线正线

国内高铁客站正线侧结构柱受脱轨列车的撞击影响力最大速度快站台站台站台站台第11页/共56页CRH2撞击简化模型

数值分析柱底固端约束上部设计荷载基本工况

冲击方向撞击区域网格加密第12页/共56页

破坏形态：基本工况下结构柱破坏形式

撞击耗能：A-B段

数值分析结构柱耗能列车耗能结构柱：弯剪破坏高铁列车:局部压缩结构柱、列车耗能能力总和列车能量变化第13页/共56页

模型概况

模型尺寸

撞击区域

配箍情况

防护墩模型

架立钢筋

第14页/共56页美国总务管理局(GSA)针对新型钢节点所做的爆炸作用下节点的性能研究试验。该试验以如图中所示新一代钢节点作为研究重点，分析了其在爆炸作用下的性能表现。该新型钢节点以传统钢节点为基础，在四周添加了一系列盖板，加强了节点连接处的整体性第15页/共56页②区域隔断有些学者认为，过强的构件及节点延性会对结构的抗连续性倒塌能力产生不利的影响。因而需在结构中设置部分脆性构件，以阻止在内力重分布或其它因素的影响下杆件之间的连锁破坏在结构内部广泛开展。法国巴黎戴高乐国际机场倒塌事故现场

2004年5月23日早上7时左右，巴黎戴高乐2e机场候机厅突然发生部分屋顶坍塌，造成4死3伤第16页/共56页五角大楼飞机撞击倒塌事故现场美国东部时间2001年9月11日上午美国纽约和华盛顿及其他一些城市相继遭受恐怖袭击，下面是遭受袭击的大事记：8点45分，一架从波士顿飞往纽约的美国航空公司（AmericanAirlines）的波音767飞机（航班号Flight11）遭挟持，撞到了纽约曼哈顿世界贸易中心南侧大楼，飞机“撕开”了大楼，在大约距地面20层造成滚滚浓烟，并发生爆炸。9点3分，又一架小型飞机以极快的速度冲向世贸中心北侧大楼。飞机从大楼的一侧撞入，由另一侧穿出，并引起巨大爆炸。两起爆炸造成了数千人伤亡。9点25分左右，美国总统布什发表讲话称，美国正遭到恐怖分子袭击，美国政府将对飞机失事原因展开全面调查。另外他宣布世贸中心遭袭击是一个“国家灾难”。在讲话中，布什表示美国政府不会姑息纵容任何恐怖主义行径，同时他对在此事件中遭受不幸的美国人民和家庭表示沉痛的哀悼。9点35分左右，位于首都华盛顿中心的美国国防部五角大楼遭飞机撞击，并发生大火。五角大楼已经部分坍塌。白宫、财政部、国务院及其他主要政府机构内的人员开始撤离。几乎与此同时，国会山也发生了爆炸，浓烟滚滚。五角大楼发出最高国家安全警告。美国联邦航空局下令关闭所有机场，命令所有飞机停飞。10时30分左右，纽约世贸中心姊妹楼再次爆炸，然后相继发生大规模坍塌。估计将近5万人正在这两座大楼内工作。几分钟后，一架遭挟持的美国联合航空公司（UnitedAirlines）的飞机在宾夕法尼亚州匹兹堡市坠毁。第17页/共56页新广州站主站房屋盖体系中，五榀联系桁架是沿结构长边方向的刚性隔离带，其成功地将整体结构划分为6个近乎独立的小区域，限制了结构的连续性破坏沿屋盖长边方向的开展第18页/共56页现行国家标准《工程结构设计可靠性统一标准》GB50068规定，“当结构发生爆炸、撞击、人为错误等偶然事件时，结构能保持必须的整体稳定性，不出现与起因不相称的破坏后果，防止出现结构的连续倒塌。”现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50153规定，“允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而局部破坏，但其剩余部分具有在一段时间内不发生连续倒塌的可靠度。”《混凝土结构设计规范》GB50010规定了混凝土结构防连续倒塌设计原则。现行行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3规定，安全等级为一级的高层建筑，应满足抗连续倒塌概念设计的要求，安全等级为一级、有特殊要求的高层建筑，可采用拆除构件法进行抗连续倒塌设计。《房屋建筑抗连续倒塌设计规程》3结构抗连续倒塌设计方法概述第19页/共56页概念设计法——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（AlternatePathMethod).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。局部加强法第20页/共56页①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

总则：

第21页/共56页①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钢筋混凝土框架结构钢框架结构第22页/共56页①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大跨空间钢结构第23页/共56页对于多高层结构，目前常通过拉结力设计、拆除构件法或采用良好构造措施等方法实现结构抗连续性倒塌。第24页/共56页②拉结力设计法主要是通过构造措施提高结构内部及周边的拉结力，依靠局部构件失效后结构的悬链线效应维持结构的基本承载能力，满足最低的抗拉强度要求达到抗连续性倒塌的目的。第25页/共56页悬链线机制和梁机制第26页/共56页为了使竖向构件的失效对结构响应产生较大的影响，竖向构件的失效必须是瞬时的。ＧＳＡ规范建议在动力分析时，竖向构件失效的时间不应大于结构竖向振动周期的１／１０。同时，竖向构件的失效不能影响同一楼面与之相连的节点或水平构件的连接。

第27页/共56页研究范围：列车运行速度v≤250km/h结构柱外缘与轨道中心线距离y≤3m技术路线示意图4两个案例第28页/共56页1.我国高铁站房特点大型、特大型站房基本都有高架候车室站房。高架候车室站房结构特点:大跨度框架结构（局部大跨度框架结构）梁：预应力混凝土梁、钢桁架、钢骨混凝土梁柱：钢管（骨）混凝土柱或钢筋混凝土柱板：钢筋混凝土楼板或预应力钢筋混凝土板雨棚结构特点结构形式主要为张弦结构、桁架结构，实腹梁结构等。通常平面张弦梁结构，刚度相对较差，冗余度低，抗倒塌能力较薄弱，因此，选择张弦梁结构作为研究类型。第29页/共56页2.欧洲规范规定EuropeanCommitteeforStandardization.BSEN1991-1-7Eurocode1-Actionsonstructures-Part1-7:Generalactions-Accidentalactions[S].London:TheBritishStandardsInstitute(BSI),2006.InternationalUnionofRailways(UIC).UIC777-2RStructuresBuiltoverRailwayLines-ConstructionRequirementsintheTrackZone[S].Paris:2002.小结：（1）适用范围：对A类结构（人员密度大的结构），列车的运行速度≤120km/h。（2）结构最外边缘与轨道中心线的最近距离d>5m时，不考虑列车脱轨撞击的影响。（3）按结构与轨道中心线的距离进行危险分区。（4）对第一危险分区，两本规范所采纳策略不同。（5）撞击荷载等效静力设计值不同。第30页/共56页荷载研究列车脱轨姿态研究——目的确定危险分区，确定两个方向的撞击速度小结：（1）按目前站房的实际情况，本报告仅研究y≤3m，正线两侧结构所承受的撞击力。（2）列车的横向脱轨速度分量vy始终较小，脱轨列车的运行速度主要以顺轨道方向的纵向脱轨速度vx为主。（3）列车与结构柱的碰撞分为正碰、侧碰。注：y为垂直轨道方向位移,vx为沿轨道方向撞击速度（纵向），vy为垂直轨道方向撞击速度（横向），ve为运行速度（或者初始脱轨速度）。第31页/共56页脱轨列车撞击结构柱状态示意图(a)正碰(b)侧碰撞击荷载——根据速度Vx，Vy、撞击角度确定撞击荷载大小

撞击力峰值：沿轨道方向Fx=40MN，垂直轨道方向Fy=4MN第32页/共56页1实验研究（1）站房结构柱抗撞击性能试验研究冲击试验在太原理工大学应用力学研究所的DHR9401落锤式冲击试验机上进行。DHR9401落锤式冲击试验机最高达到13.47m，有效落距12.6m，相应冲击速度可高达15.7m/s。落锤质量可在2~250kg。局部破坏试验结构柱类型：钢筋混凝土柱、钢管加固钢筋混凝土柱、复合柱114114试件端板A—A图4.7钢管加固钢筋混凝土柱、复合柱截面示意图114试件端板A—A114第33页/共56页小结：（1）钢筋混凝土柱抗冲击能力较差。（2）相同含钢率下，复合柱对改善结构抗冲击性能作用不大。（3）钢管混凝土柱抗冲击性能良好，增大钢管外壁厚度对于抗冲击性能有很大的提高。（4）实验表明：钢管混凝土柱的抗冲击性能是钢筋混凝土柱的2倍，钢骨混凝土柱的抗冲击性能是钢筋混凝土柱的1.5倍。第34页/共56页混凝土本构关系参数验证试验通过对比撞击试验和数值计算结果，对低速碰撞条件下混凝土力学性能进行评估，以校核数值计算模型中混凝土材料的参数体系。

撞击作用时程曲线对比第35页/共56页有限元分析目的：确定正线列车脱轨撞击时结构柱的破坏根数表4.3雨棚柱正撞拆除根数雨棚柱直径（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第36页/共56页尺寸（mm）形式遭受撞击完全破坏滑移距离(m)1300×20圆钢管混凝土柱1根1根3.211300×40圆钢管混凝土柱1根0根0.001300×40方钢管混凝土柱1根0根0.001500×20圆钢管混凝土柱1根1根3.811600×1600方形钢筋混凝土柱1根1根0.002000×40圆钢管混凝土柱1根0根0.00表4.4主站房轨道层结构柱拆除根数第37页/共56页整体破坏——基于拆除构件法1.雨棚整体性分析(a)济南西雨棚(b)呼和浩特东站雨棚雨棚分析模型第38页/共56页小结：（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。注：本结论由平面张弦梁结构分析得到，同样适用于平面桁架结构、平面实腹梁结构。第39页/共56页研究思路研究现状BritishStandardEurocode1&Eurocode2UFC4-023-03GSA2003DOD2010GB50010-2010结构概念设计法局部抗力设计法拉结力设计法替代路径法（拆除构件法）结构抗震与抗连续倒塌拆除构件法基于能量的抗连续倒塌分析结构鲁棒性《基于节点重要性系数的联方型柱面网壳结构抗连续倒塌研究》第40页/共56页研究思路重要性系数构件重要性系数

节点重要性系数

第41页/共56页研究思路分析方法线弹性分析方法特征值屈曲分析屈曲荷载（临界荷载）非线性分析方法Newton-Raphson极限荷载第42页/共56页非线性分析方法非线性分析方法几何非线性材料非线性边界非线性Newton-Raphson弧长法第43页/共56页研究内容工程概况结构优化特征值屈曲分析非线性分析增强结构抗连续倒塌的方法第44页/共56页工程概况其中拱形屋面为联方型单层柱面网壳，跨度114m，矢高35.9m，长度365.5m，含悬挑长度为398m。双向变截面梁拱型结构。第45页/共56页结构优化双向变截面梁+虚面双向变截面梁等截面梁优化中间拱构件第46页/共56页特征值屈曲分析（构件重要性系数）特征值屈曲分析结构变形图选取拆除构件1~9号构件重要性系数柱状图1~9号构件重要性系数第47页/共56页特征值屈曲分析（节点重要性系数）特征值屈曲分析结构变形图选取拆除构件1~3组节点重要性系数柱状图1~3组节点重要性系数第48页/共56页特征值屈曲分析（小结）本章先依次拆除构件1号~9号，通过计算构件重要性系数，发现构件变形大小与之并无相关性。例如构件1在屈曲分析中变形是最大的，而构件1重要性系数反而为负值。因此本章提出节点重要性系数的办法，依次拆除图3-18中三组节点及其周围的构件。再计算节点重要性系数，发现节点重要性系数的大小与特征值屈曲分析中节点及其周围的构件变形量大小是对应关系。由于特征值屈曲分析只是线弹性阶段的计算分析，且特征值屈曲分析并没有考虑外荷载的情况，无法反映荷载分布对结构破坏发展的影响，因此还需要通过非线性分析进一步讨论。第49页/共56页非线性分析（构件重要性系数）结构变形图vonMises应力图拆除构件位置1~4组构件重要性系数1~4组构件重要性系数柱状图第50页