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第20届高层建筑结构论文集 论文编号 zby22 超高层建筑防止结构连续倒塌设计初探 朱炳寅 任庆英 中国建筑设计研究院 北京100044 提要 近年来 高层建筑尤其是超高层建筑的防止连续倒塌问题在欧美国家得到了广泛的关注 由 于 东突 和 藏独 恐怖势力的存在 国内反恐形势也渐趋严峻 在高层或超高层建筑及重大或重要工 程中考虑建筑的防倒塌设计 正成为结构设计无法回避的问题 相关结构设计规范对重要工程的防倒塌设 计问题已在考虑之中 结合莫斯科中国贸易中心工程的防止结构连续倒塌设计 比较了国外一些相关设计 规范和标准之间的相互关系 提出满足俄罗斯规范要求的防止连续倒塌设计计算方法 并将其与正常情况 下的结构计算进行比较 找出其中带规律性的问题 关键词 结构的整体坚固性 构件的需供比 转变途径法 局部抗力增强法 1 工程概况 莫斯科中国贸易中心工程 位于俄罗斯联邦莫斯科市 抗震设防烈度与我国6度相当 横跨威廉匹 克大街 紧邻规划四环路和城市轻轨及地铁6号线的BOTANICHESKY SAD站 是集办公 商业 公寓及中 国园林为一体的综合建筑群 总建筑面积20万m2 按功能和区域将总平面地块划分为三个地块 总平面见 图1 其中2 地块地下2层 地上42层 建筑高度180m 钢筋混凝土框架 核心筒结构 结构平面示意见图 2 立面见图3 结构计算模型见图4 3 地块地下2层 地上22层 建筑高度87m 钢筋混凝土框架 剪力 墙结构 工程按俄罗斯规范要求需采取防止连续倒塌措施 2 国外防止连续倒塌设计的要求 911以来 紧急情况 如 地震 风灾 爆炸 撞击和高温等 下结构的防止连续倒塌设计正受到更 多的关注 有关国家相继制定有相关的法律法规 2 1 俄罗斯防止连续倒塌措施的相关规定 1 1 高度超过 75m 的高层建筑 均应进行结构的防止连续倒塌验算 验算的目的是为了防止高层建筑 在自然紧急状态 源自气候条件或地质变化等 或人为紧急状态 建筑内部或外部由于火灾或其他灾难性 情况发生 下 一旦部分承重结构受到破坏后 破坏会逐步扩大 使建筑发生连续倒塌 2 建筑物防止连续倒塌的整体坚固性 Robustness 应根据结构计算确定 3 当发生局部破坏时 建筑的整体坚固性计算应考虑相应的荷载组合 含永久荷载和活荷载等 要 求 局部破坏应满足下列要求 破坏发生在墙肢上 且从两组墙的交接点到最近的洞口或下一个交接点的 距离小于 10m时 局部破坏发生在柱上或与同层墙体相连的柱上 局部破坏发生在同一层楼板上 以上局 部破坏的受荷面积均不应超过 80m2 对建筑抗连续倒塌整体坚固性的评估 应根据上述局部破坏的最大效 应确定 4 对于紧急状态 需根据规范要求验算承载能力极限状态 不要求验算裂缝 变形等正常使用极限 状态 抗力计算须采用荷载标准值 5 效应计算应使用空间计算模型 将所有结构构件考虑在内 模拟建筑投入使用后局部承重构件发 生损害时荷载的重分布及破坏情况 6 防止建筑发生累计损害的主要措施有 结构应有较多的冗余度 以保障柱 横梁 隔板 节点 的承重能力 连续加强配筋 提高结构构件和节点的延性 在允许范围内提高结构的延性可有效阻止结构 破坏的继续扩大 即当某些承重构件发生破坏时 可以有较大的变形而不至于立刻失去所有的承载能力 因此在设计时应增加配筋或采用其他延性材料 加大连接件强度及韧度 高层建筑应尽量采用现浇结构 当采用非承重预制构件时 应采用与承重结构连接牢固性好 可靠性高的预制板材 楼板与柱 梁 隔板 的相连处应能保证上层楼板坍塌时支撑住上层楼板 而不掉到下层楼内 连接处的承重能力应为半个跨度 第20届高层建筑结构论文集 论文编号 zby22 的楼板与结构构件的重量 D 0 25L 图1 总平面布置图 a 转换层平面 b 转换层以上平面 图2 2 地塔楼结构布置平面图 第20届高层建筑结构论文集 论文编号 zby22 40F 39F B2 B1 38F 37F 36F 35F 34F 33F 32F 31F 30F 29F 28F 27F 26F 25F 24F 23F 22F 21F 20F 19F 18F 17F 16F 15F 14F 13F 12F 11F 10F 9F 8F 7F 6F 5F 4F 3F 2F 1F 办公 酒店 观光 大堂 图3 2 地塔楼立面图 图4 2 地塔楼计算模型 2 2 GSA导则 2 美国公共事务管理局 General Service Adminstration 于2000年制订了连续倒塌的分析与设计导则 GSA Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines 1 要求多层房屋的设计应进行以下突发事件的检验 即多层房屋在首层去掉一个主要支承后 不应 导致上部结构的倒塌 这个主要支承包括 地面以上一层临近房屋短边或长边中部的一根柱或一段9m的承 重外墙 地上一层任何一根角柱或沿房屋转角各4 5m的两段外承重墙 地下车库中一根柱或一段9m的承重 第20届高层建筑结构论文集 论文编号 zby22 外墙 2 对延性差的结构 考虑动力系数2 按2 D 0 25L 进行验算 其中 D为永久荷载标准值 L为 活荷载标准值 3 强调结构设计应使结构具有更好的坚固性 以减少连续倒塌的可能性 结构应具有多赘余度和多 传力途径 包括竖向荷载及承载力 构件应具有良好的延性 保证变形远远超过弹性极限时还能有一定 的承载能力 要考虑相邻构件的破坏 应有足够的反向受力承载力 构件应具有足够受剪承载力 保证不 产生剪切破坏 2 3 NYC 规定 2 美国NYC建筑法规第18章提出两种防止连续倒塌的途径 1 转变途径法 Alternate Path Method 即当结构失去某一关键构件时 通过转变受力途径仍能承受 相应的荷载组合 即能确保结构的稳定 而不发生连续倒塌 这里的关键构件指 一个单独楼板或两个 相邻墙段形成的墙角 一根梁及其从属范围的楼板 一根柱或其他影响结构稳定的结构构件 计算要考虑 的荷载组合为1 0D 0 25L和1 0D 0 25L 0 2W 其中 W为风荷载标准值 2 局部抗力增强法 Specific Local Resistance Method 即对结构设计中不能破坏的结构构件 控制构 件的需供比DCR Demand Capacity Ratio 2 并采用增加构件承载力的方法 确保在紧急情况下构件具 有较大的强度储备 以保证结构的稳定 DCR CE UD Q Q 2 1 式中 为在紧急情况下按弹性静力分析求得的构件或节点承受的内力 为构件或节点预期的极限 承载能力 计算时 考虑瞬时作用对材料强度的提高系数 钢材取1 05 钢筋混凝土取1 25 UD Q CE Q CE Q 此时荷载组合取2 D 0 5L 0 2W 构件的荷载总值 2 D 0 5L 不应小于36 2 mkN 2 4 DOD导则 2 美国国防部 DOD 于2001年发表了防连续倒塌暂行设计导则 1 要求进行去掉一个主要承重构件或一个主要抗力构件的结构反应分析 对于一般住宅类建筑 去 掉的限于房屋周边的主要承重构件 考虑有可能在房屋内部发生爆炸时 要去掉的构件包括外部及内部的 主要承重构件 2 对于框架结构 去掉任一层的一根柱 则与该柱相接的所有填充墙和梁均被去掉 去掉任一层的 一根梁 则被去掉梁上部的填充墙均被去掉 对于无梁楼盖体系 去掉整跨楼盖也就是去掉四根柱所包围 的楼盖 3 对于承重墙结构 去掉长度为两倍墙高 墙高定义为水平方向支承之间的竖向距离 的一段墙 且该墙长度不应小于伸缩缝或控制缝之间的距离 在转角处沿两个方向的长度均应满足以上要求 若墙有 与其相连的竖向承重构件 则去掉的长度可取竖向承重构件之间的实际距离 当采用无梁楼盖时 去掉楼 盖的面积 其宽度为被去掉墙的长度 其长度为从去掉墙段到相邻内承重墙的距离 4 对支撑 框架结构 去掉一根柱或一根梁类似框架结构 沿柱列设置赘余的支撑 当在某跨失去 一根柱或梁将不会导致房屋其余部分建筑的倒塌 5 对框架 剪力墙结构 参照以上体系 适当地去掉墙 柱 梁或板进行分析 3 防止连续倒塌的分析方法 2 DOD导则规定 防止连续倒塌设计计算可采用二维或三维静力 线弹性或非线性结构分析 采用线弹性方法时 如构件的受弯承载力超限 则认为该处出铰 放松其转动自由度 出铰处弯矩保 持不变 修正结构刚度重新进行计算分析 如构件的受剪承载力超限 即认为该构件失效 失效构件在新 的模型中去掉 当某一失效构件去掉后 与该构件有关的静荷载或活荷载必须重新分配给同一层的其他构 第20届高层建筑结构论文集 论文编号 zby22 件 其他荷载如冲击力等还应分配到下一层构件中 非线性分析只需要一次完成 当超过构件的受剪承载力或超过了构件的变形极限时 认为构件失效 在继续分析之前将失效构件从模型中去掉 4 莫斯科中国贸易中心防连续倒塌设计 4 1 工程防止连续倒塌的基本要求 参考上述文献 对工程设计提出以下要求 1 采用抗连续倒塌性能比较好的钢筋混凝土框架 剪力墙 或框架 核心筒 结构体系 2 采取周边支承的钢筋混凝土现浇楼板 楼板钢筋采用焊接及其他有效锚固 加强梁柱节点连接等 措施 当发生紧急情况时 具有很好的悬挂作用 抗连续倒塌性能好 3 对不利于抗连续倒塌的转换桁架及其支承柱采用坚固性较强的钢结构和钢骨混凝土结构 对角柱 采取加强措施 确保当发生紧急情况时 具有很好的抗连续倒塌作用 4 采用ETABS程序进行满足俄罗斯规范要求的防连续倒塌计算 5 控制构件的需供比DCR 2 6 结构构件的配筋 或钢构件的截面 取正常情况下 1 2D 1 4L 0 2W或1 35D 0 98W 与紧急情 况下防连续倒塌计算的较大值 7 工程设计不考虑由于气候条件或地质变化而引起的自然紧急状态 4 2 防倒塌计算方法 1 对于角柱 2 地6层以下钢转换桁架及支承转换桁架的8根大柱等结构设计中不可局部破坏的重要 部位和构件 采用局部抗力增强法进行防倒塌计算 要点如下 1 特殊情况下的荷载组合 取2 D 0 5L 0 2W 2 构件的竖向总荷载不小于36 2 mkN 3 材料强度仍采用设计强度 4 考虑梁柱节点影响 可取支座边缘截面进行结构的强度计算 5 核心柱或SRC柱的型钢 按承受框架角柱 或底层大柱 的全部重力荷载 1 0D 计算 考虑材料 强度的提高系数 钢筋 钢板及混凝土均取1 1 2 对于采用局部抗力增强法进行设计以外的其他所有区域和构件 采用转变途径法进行防倒塌计算 要点如下 1 荷载组合按 D 0 5L 0 2W 考虑 不考虑地震作用 2 采用荷载效应的标准组合 含永久荷载和活荷载 不考虑超载系数 3 抗力计算中 材料强度取用标准值 4 结构计算采用空间计算模型的线弹性分析方法 5 考虑结构及构件的塑性内力重分布 6 只进行结构或构件的承载力计算 不考虑挠度及裂缝问题 7 破坏位置取可能破坏的平面中的最下面楼层 即竖向荷载最大的楼层 8 考虑梁柱节点影响 取支座边缘截面进行结构的强度计算 9 防倒塌计算中需要考虑的结构局部构件破坏情况见表1 结构局部构件破坏的情况 表1 序号 破坏构件 局部破坏情况 局部破坏 面积 有洞口 从墙交接处到离最近的洞口边 1 同一楼层两片相 交的剪力墙 无洞口 从墙交接处至下一墙肢相交处 且墙长 10m 80m2 第20届高层建筑结构论文集 论文编号 zby22 2 柱 柱子破坏 与之相连的梁失效 失去相应的支承作用 3 梁 梁破坏 失去相应的支承作用 4 楼板 楼板的破坏 考虑楼板的悬挂作用 4 3 转变途径法的应用实例 以2 地塔楼为例 见图2 说明考虑防倒塌设计的结构构件的设计计算要点 1 楼板失效 楼板失效时 考虑楼板的悬挂作用 楼板的通长配筋应满足 sb A 2 y fP 5 0 式中 P为阴影区楼板总荷载 按 D 0 5L 计算 为钢筋强度设计值 y f 2 周边框架柱 柱B 失效 在正常情况下 楼板为周边支承的双向板 在紧急情况下 由于柱B的失效 导致相应梁支承的缺失 楼板的传力途径发生改变 楼板变成由墙A 梁A三边支承 在阴影范围内 影响面积 80m2 楼板变为短 边支承的单向板 图5 防倒塌计算应重点考察结构的整体稳定 墙A 柱A 梁A的承载能力 及楼板的 悬挂作用等 1 考虑柱B失效时 框架梁A的梁端 与柱A相交处 允许出现塑性铰但不能失效 不发生剪切破坏 梁端截面及箍筋配置应满足抗剪承载力要求 同时梁端截面满足锚固长度的全部纵筋应满足下式要求 V 0 75 3 syA f 式中 V为考虑柱B失效由相应荷载 D 0 5L 0 2W 产生的梁端剪力 2 框架梁A的跨中设计弯矩 均不得小于按简支情况 按紧急情况计算 计算弯矩的80 3 钢筋混凝土剪力墙 框架柱 框架梁 楼板等的配筋 取正常情况下与紧急情况下防连续倒塌计 算的较大值 4 考虑楼板的悬挂作用同上 图5 边柱 柱B 失效后的楼板传力途径 3 中梁 梁B 失效 在紧急情况下 由于梁B的失效 导致相应楼板支承的缺失 楼板的传力途径发生改变 楼板变为由 墙A 梁A和梁C支承的大双向板 图6 防倒塌计算应重点考察结构的整体稳定 墙A 柱A 柱B 梁A 梁C的承载力 及楼板的悬挂作用等 相关计算要求同上 第20届高层建筑结构论文集 论文编号 zby22 图6 中梁 梁B 失效后的楼板传力途径 4 边梁 梁C 失效 在紧急情况下 由于梁C的失效 导致相应楼板支承的缺失 楼板的传力途径发生改变 楼板变为由 墙A 梁B和梁C支承的三边支承板 图7 防倒塌计算应重点考察结构的整体稳定 墙A 柱A 柱B 梁A 梁B 及楼板的悬挂作用等 相关计算要求同上 图7 边梁 梁C 失效后的楼板传力途径 5 剪力墙失效的计算参照柱 5 防倒塌设计计算结果的比较及结论 紧急情况下与正常情况下相关构件的承载力需求比较见表2 紧急情况下与正常设计情况下相关构件的配筋比较 表2 计算方法及模型 紧急情况下与正常设计情况下相关构件的配筋或截面比较 梁 A 配筋基本不增加 柱 A 柱稳定有保障 配筋没有增加 边柱 柱B 失效 楼板 不起控制作用 梁 A 梁C 配筋没有增加 柱 A 柱 B 柱稳定有保障 配筋没有增加 中梁 梁B 失效 楼板 不起控制作用 梁 A 梁 B 配筋没有增加 柱 A 柱 B 柱稳定有保障 配筋没有增加 边梁 梁C 失效 楼板 不起控制作用 转变途径法 剪力墙局部失效 剪力墙 由于剪力墙分布较均匀 局部破坏对其影响不大 转换层以上的角柱配筋约增加30 设置型钢后可相应减小 桁架上弦 边弦杆增加27 中弦杆增加31 桁架下弦 边弦杆增加62 中弦杆增加27 局部抗力增强法 转换层以下的角柱增加不明显 第20届高层建筑结构论文集 论文编号 zby22 6 结论 1 由于 东突 和 藏独 恐怖势力的存在 国内反恐形势渐趋严峻 在高层或超高层建筑及重大 或重要工程中考虑建筑的防倒