第七讲抗连续倒塌设计方法概述

专题二：结构抗连续倒塌设计理论

——连续倒塌设计方法概述

西南交通大学土木工程学院建筑工程系刘艳辉副教授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

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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。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。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。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

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

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

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。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①老概念设计法——以定性阶设计为皆主，其剩中有些芹定性设殊计通过胖定量设耀计予以些实现总则逼：①概享念设计纷法——以定曾性设督计为宅主，那其中搭有些尾定性异设计企通过秋定量涂设计陶予以是实现钢筋乏混凝桐土框恐架结锹构钢框烈架结件构①概傲念设计捧法——以定分性设卷计为建主，捆其中浴有些畏定性烫设计筋通过沉定量逮设计筒予以战实现大跨空间艘钢结构对于多高番层结年构，目前东常通过拉结力设计、拆除继构件包法或采用平良好毅构造瓦措施等方法晃实现结鲜构抗连陈续性倒雪塌。②拉结力设船计法主要汁是通圾过构仙造措另施提腐高结垦构内响部及惹周边鹿的拉置结力光，依案靠局英部构恒件失汤效后舍结构蜜的悬链壮线效滚应维持结色构的基播本承载山能力，满足最鞭低的抗杀拉强度侵要求达到波抗连臭续性渣倒塌绿的目置的。悬链目线机拆制和篮梁机沟制为了储使竖千向构挤件的资失效嘱对结居构响荐应产用生较近大的告影响般，竖启向构秆件的茅失效商必须骨是瞬搞时的样。Ｇ帖ＳＡ趟规范渣建议咏在动累力分倚析时纪，竖相向构绞件失赖效的详时间与不应大大于额结构梢竖向推振动李周期农的１帐／１半０。姿同时岔，竖煤向构亭件的呜失效侵不能潮影响富同一萍楼面剖与之兽相连腔的节核点或骂水平污构件真的连染接。研究抓范围项：列车精运行照速度v≤2宜50k织m/h结构肃柱外邻缘与摇轨道琴中心贷线距晃离y≤闸3m技术路线素示意瓜图4两个案鞋例1.我国高菜铁站房悉特点大型、蚕特大型盆站房基僚本都有叠高架候治车室站吐房。高架稿候车铲室站殿房结胜构特上点:大跨辨度框春架结伐构（脚局部欣大跨愿度框篇架结网构）梁：民预应始力混脸凝土驶梁、固钢桁替架、镰钢骨周混凝管土梁柱：俊钢管刚（骨撇）混耳凝土导柱或炸钢筋霉混凝或土柱板：洞钢筋溜混凝勺土楼车板或圣预应戒力钢窝筋混水凝土州板雨棚结稳构特点结构扑形式坡主要静为张凑弦结显构、娘桁架仆结构霉，实角腹梁军结构渐等。通常平谜面张弦榆梁结构奖，刚度遣相对较吸差，冗早余度低灵，抗倒滨塌能力净较薄弱牢，因此拨，选择张弦白梁结颜构作坚为研平究类糊型。2.欧洲亲规范迹规定Eu降ro谷pe末an胜C筹om尾mi赢tt予ee软f颜or弓S涝ta分nd剃ar摘di趣za穴ti竟on.B矿SE咽N19斥91-些1-7Eu胁ro爬co章de回1绘-朝Ac绝ti纳on书s勤on山s梦tr秤uc俗tu请re考s作-P寺ar吓t摘1-饮7:姜G提en量er辱al领a生ct背io稻ns姜-吧A沙cc胶id称en毒ta嘉l把ac逢ti壶on窃s[如S]树.漫Lo他nd铲on秩:啊Th乌e拾Br舰it腿is偶h谁St翻an距da期rd蛾s石In尤st改it宵ut视e夜(B惠SI茅),还2煤00天6.Int路ern只ati树ona兵lU民nio嚷no蛛fR汤ail愈way异s(唯UIC居).UIC洋777寨-2RSt吴ru拿ct劲ur鲜es俊B勇ui竞lt茧o县ve截r索Ra沙il症wa坏y贝Li鼠ne涌s表-C国on学st引ru罗ct弃io刑n柄Re饥qu判ir蓄em拿en耐ts尿i笋n除th灶e充Tr粘ac放k侧Zo刻ne指[赔S]厅.P渡ar江is乡丰:2乓00罢2.小结：（1）适用筑范围：狐对A类结逐构（刮人员餐密度横大的养结构东），驼列车场的运祝行速页度≤12任0k层m/购h。（2）结构者最外边贵缘与轨皮道中心亮线的最家近距离d>5烂m时，趟不考幕虑列叛车脱上轨撞吐击的享影响斤。（3）按结旬构与轨斩道中心到线的距吩离进行生危险分区回。（4）对第找一危险掩分区，匙两本规病范所采捕纳策略不同塘。（5）撞击沸荷载等师效静力牙设计值不同升。荷载研究列车脱轨姿纵态研究——目的辞确定致危险钳分区洽，确尿定两书个方疑向的利撞击斤速度小结：（1）按惹目前捏站房蛾的实衫际情励况，泽本报赛告仅培研究y≤城3m，正线描两侧结组构所承老受的撞锐击力。（2）列盗车的味横向已脱轨那速度墓分量vy始终较限小，脱墨轨列车凝的运行检速度主菠要以顺甲轨道方档向的纵涨向脱轨鸡速度vx为主。（3）列璃车与洽结构举柱的掏碰撞胁分为沸正碰芦、侧剖碰。注：y为垂直丢轨道方巨向位移,v脾x为沿揉轨道丸方向蛇撞击依速度丙（纵么向）论，vy为垂丧直轨揭道方虏向撞斩击速舞度（疏横向迫），ve为运程行速伙度（耀或者剧初始静脱轨呼速度茅）。脱轨列车撞萄击结构叼柱状态六示意图(a)正碰(b)侧碰撞击荷载——根据渐速度Vx，Vy、撞击菠角度确逮定撞击愿荷载大染小撞击俭力峰葵值：沿轨阿道方之向Fx立=4担0M放N，垂炎直轨艳道方盯向Fy=锁4MN1实验研愤究（1）站旧房结付构柱填抗撞险击性金能试谢验研狂究冲击试逼验在太原理浮工大学谁应用力亡学研究困所的DHR云940农1落锤晕式冲团击试麻验机刮上进敏行。DHR恢940煤1落锤式择冲击试流验机最姐高达到13.镰47m，有汽效落红距12.搞6m，相羡应冲傍击速垮度可府高达15数.7编m/芽s。落锤咸质量可尊在2~周25柳0k号g。局部破坏试验结蚕构柱类爱型：钢蠢筋混陡凝土瞧柱、杀钢管形加固叫钢筋昂混凝垦土柱嗓、复剪合柱114114试件端板A—A图4.延7钢管缩慧加固弱钢筋搞混凝违土柱瓜、复晴合柱皆截面岂示意胁图114试件端板A—A114小结愁：（1）钢冶筋混机凝土材柱抗骑冲击胶能力盟较差让。（2）相酱同含套钢率猛下，肌复合眉柱对搁改善弄结构姑抗冲劳击性膊能作丝式用不脏大。（3）钢管缓混凝土愉柱抗冲蕉击性能赚良好，吸增大钢鞠管外壁允厚度对饶于抗冲质击性能尚有很大构的提高顺。（4）实验那表明：首钢管混缩慧凝土柱寺的抗冲膀击性能装是钢筋吸混凝土歌柱的2倍，层钢骨墓混凝墨土柱译的抗盲冲击米性能段是钢匠筋混罪凝土山柱的1.5倍。混凝宾土本构相关系彻参数网验证盛试验通过对数比撞击疗试验和慨数值计臣算结果慎，对低袜速碰撞可条件下古混凝土果力学性耐能糊进行评摸估，以司校核数皂值计算商模型中息混凝土碗材料的可参数体疤系。撞击作用时顿程曲线费对比有限元亩分析目的：总确定正伐线列车像脱轨撞梁击时结说构柱的虎破坏根受数表4.3雨棚魔柱正扩撞拆用除根侮数雨棚柱直径（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主站初房轨磨道层巩结构自柱拆匹除根怎数整体破坏——基于喷拆除塘构件甲法1.雨棚拖整体悲性分康析(a)济南西乞雨棚(b)呼和协浩特正东站珠雨棚雨棚分凭析模炎型小结策：（1）拆凡除两效根柱沉时，嘱雨棚蔽结构魂不会丙发生很连续触倒塌伤。（2）边柱翅失效对陵雨棚抗猎连续倒遗塌性能闸影响大雕于中柱脉。（3）平猛面张许弦梁嫩结构答应减异小各这榀张宗弦梁耗间距晓，加堆强平手面外吉纵向禾联系姑：应顷提高抗屋面奔檩条勇的拉抓结作烘用，默檩条准与上怪弦梁玻的连涂接宜毫为固贷结连羞接方抢式。注：本经结论由菠平面张缓弦梁结逝构分析共得到，套同样适竞用于平碎面桁架廊结构、讨平面实优腹梁结蹦构。研究思恰路研究友现状Bri欲tis再hS架tan公dar傻dEu院ro埋co患de灾1腐&E章ur剂oc填od抢e厦2UFC呆4-悲023搂-03GS痰A2摧00士3DO逮D2挨01婶0GB护500沸10-棚201圣0结构概家念设计绑法局部抗摊力设计网法拉结力鞋设计法替代雁路径蜘法（梢拆除达构件灰法）结构盛抗震唯与抗哪连续炒倒塌拆除构今件法基于能勉量的抗乐连续倒列塌分析结构鲁错棒性《基于展节点留重要寄性系斥数的插联方毁型柱耀面网捡壳结酱构抗冲连续具倒塌碌研究》研究思阻路重要性雾系数构件紧重要膊性系胀数节点陪重要怒性系影数研究思松路分析祖方法线弹性副分析方场法特征速值屈业曲分坊析屈曲勒荷载岔（临伶界荷抓载）非线隐性分困析方港法New局ton性-Ra些phs员on极限狭荷载非线稍性分绍析方墙法非线性进分析方谦法几何转非线外性材料似非线赛性边界破非线旨性New泡ton心-Ra或phs童on弧长装法研究怀内容工程概穿况结构映优化特征未值屈淋曲分阴析非线性巴分析增强鼻结构恶抗连否续倒丛塌的筝方法工程概素况其中拱断形屋面负为联方叔型单层怖柱面网喜壳，跨冻度11镰4m，矢高35.蛇9m，长度36债5.晒5m，含干悬挑含长度黄为398萍m。双向谅变截面革梁拱型弹结构。结构宪优化双向池变截颗面梁+虚面双向变欢截面梁等截面抄梁优化服中间时拱构冷件特征值顿屈曲分蜂析（构意件重要脆性系数戏）特征值像屈曲分雅析结构锈变形图选取胜拆除取构件1~9号构件楼重要性窃系数柱撑状图1~死9号构件率重要性泻系数特征值嘉屈曲分课析（节损点重要绕性系数主）特征准值屈猴曲分毯析结左构变欠形图选取温拆除畅构件1~宏3组节衣点重纳要性贪系数荣柱状鸦图1~俩3组节厚点重喂要性电系数特征绕值屈批曲分重析（近小结缘瑞）本章先销依次拆置除构件1号~9号，渗通过舞计算馒构件均重要季性系呜数，驱发现筝构件姿变形手大小搞与之汁并无针相关养性。脖例如良构件1在屈曲鲜分析中栏变形是计最大的姻，而构柏件1重要固性系退数反完而为殿负值绝。因此收本章亩提出睛节点寇重要允性系冤数的滨办法奔，依翠次拆毕除图3-灿18中三组祸节点及期其周围狭的构件樱。再计帮算节点虾重要性墓系数，烟发现节俭点重要畏性系数摆的大小累与特征汪值屈曲粥分析中毕节点及农其周围奥的构件惕变形量粪大小是挥对应关偶系。由于匆特征销值屈瘦曲分葱析只合是线畅弹性暗阶段棚的计削算分鼻析，季且特婚征值透屈曲领分析尤并没买有考董虑外旷荷载刘的情锅况，搏无法销反映敞荷载亲分布粱对结食构破辜坏发矛展的客影响币，因肚此还轨需要通过非男线性分析进幅一步讨弦论。非线性伶分析（尝构件重圣要性系滥数）结构污变形陪图vo列n阶Mi放se堤s应力图拆除拴构件堵位置1~昨4组构件汪重要性政系数1~烈4组构件丸重要性宪系数柱耗状图非线性乏分析（哄节点重眯要性系尖数）节点携拆除蚁位置1~3组节蔑点重碌要性途系数1~尤3组节游点重居要性笋系数凭柱状卷图通过析分析抛可知形，构袄件重渣要性瓜系数枕的分粉析方徐法并鲁不适窜用于介超静蜓定次尤数很岔高，脸传力心路径读丰富铁的联双方型柄大跨徒