RC结构抗连续倒塌设计方法分析.ppt

RC结构抗连声倒塌设计方法分析 1 概述 定义 结构的连续倒塌是指由于偶然意外荷载和作用造成结构的局部破坏 并导致结构产生非稳定的连续性破坏发展 特点 与一般结构抗风 抗震等防灾设计中注重的整个完好结构抵御灾害荷载的能力不同 结构抗连续倒塌设计中考察的是因意外事件导致部分构件失效退出工作后 剩余结构的抗倒塌能力 国内外具有重大影响力的连续倒塌事件1 俄克拉荷马联邦大楼 AlfredP Murrah 倒塌事件 1995年4月19日 2 美国世界贸易中心大楼 WTC 倒塌 2001年9月11日 3 湖南衡阳大厦特大火宅倒塌事件 2003年11月5日 2 引起结构发生连续倒塌的原因分析 引起结构连续倒塌的原因有很多 总结起来大致可分为偶然因素 设计和建造过程中的人为因素以及频发的地震作用等几类 2 1偶然因素 偶然作用是导致建筑物发生连续倒塌的最主要原因 我国 工程结构可靠性设计统一标准 GB50153中对偶然作用有明确的定义 即在设计使用年限内不一定出现但一出现其能量值就会很大且持续时间很短的作用 如爆炸 撞击 战争等 最典型最具影响力的例子就是2001年9月11日发生在美国纽约的世贸大楼连续倒塌事故 纽约世贸大厦2001年9月11日遭恐怖袭击倒塌现场 2 2人为因素 这里所指的人为因素主要是设计人员的设计失误以及施工人员的违章操作等 1995年韩国汉城三丰百货公司的倒塌就是由于设计人员的失误造成 在我国 施工人员主要是农民工 由于没有严格的上岗考核制度 使得我国的结构安全存在很大的隐患 人为因素具有可避免性 因此各相关部门应加强力度予以避免 汉城三丰百货倒塌事故现场 2 3地震作用 由于在地震作用下结构进入非弹性大变形 造成构件失稳 使得传力路径失效从而引起结构的连续倒塌 如2008年汶川大地震 即造成了2300多万间房屋损坏 其中倒塌的房屋就多达650万余间的结果 2 4连续倒塌的本质原因 由于破坏力作用下结构进入非弹性大变形 构件失稳或者造成部分承重构件失效 传力途径失效引起连续倒塌 R S 3 1英国规范英国是世界上最早提出抗连续倒塌设计的国家 英国规范主要通过下面三个准则实现抗连续倒塌设计 准则一 结构遭受偶然荷载作用后的整体稳定性应该通过结构内部拉结体系来保障 对构件和连接提供水平和竖向拉结 增加结构的冗余度 使得结构水平构件在失去竖向支撑构件后发挥悬链线作用 提供结构备用荷载传递途径 3 国内外RC结构抗连续倒塌设计规程 准则二 多重荷载路径设计法 该方法要求结构工程师通过瞬间 去掉 某根构件来模拟该构件失效 并保证 去掉 构件后 结构不会发生过大范围的破坏 准则三 从整体结构中分析出关键构件 某构件失效时其上部不能形成跨越能力时 这个构件就是关键构件 抗连续倒塌设计时应该对这类构件进行重点保护 原有荷载组合的基础上各个方向应能承受额外的34KN m2的均不荷载 3 2欧洲规范 Eurocode1规定 建筑物应该有足够的强度 刚度和整体性来抵抗意外荷载的影响 表3 1Eurocode1中建筑安全等级分类及相应设计方法 3 3美国国防部 DoD DoD主要应用在国防建设方面 DoD按照建筑物发生连续倒塌的概率 不同安全等级的建筑对应不同的设计方法 如表3 2所示 表3 2DoD2005中建筑安全等级分类及相应的设计方法 3 4国内设计方法 目前国内对于结构抗连续倒塌分析的设计方法主要包括了概念设计 拉结强度设计和拆除构件设计以及加入非线性动力分析方法对结构的验算等 表3 3结构抗连续倒塌设计方法的要求 4 抗连续倒塌主要设计方法 目前 国外一些国家已经有了针对防止结构发生连续倒塌的有关规范标准和指南 如英国的BritishStandard 美国公共事务管理局编制的 联邦政府办公楼以及大型现代建筑连续倒塌分析和设计指南 GSA2003 美国国防部编制的 建筑抗连续倒塌设计 DoD 加拿大的NBCC 欧洲的Eurocode1和日本的 钢结构控制倒塌设计指南 等 归结起来 主要如下三种设计方法 4 1拉结强度法 拉结强度法是通过结构现有的构件或连接将结构进行 捆绑 以增强结构的连接性 延性和冗余度来保证结构在经受偶然荷载后具有较好的结构整体性 按照拉结的位置和作用可分为内部拉结 周边拉结 对墙 柱的拉结以及竖向拉结四种类型 如图4 1 拉结强度法对加强结构的整体性很有帮助 可很好地提高结构抗连续倒塌的能力 图4 1拉结示意图 柱失效后 穿过板的钢筋形成悬链线机制 柱失效后 梁和柱形成新的悬链线机制 两端悬挂的理想柔性软索的曲线 4 2拆除构件法 拆除构件法是指将初始失效的竖向支撑构件 拿掉 后结构在原有荷载作用下发生内力重分布 并具有足够的跨越能力保证不发生大范围的坍塌 如图4 2所示为都江堰市某商住楼 六层底框结构 底层的柱混凝土被压溃 该支撑已失效但结构并未发生坍塌 图4 2都江堰某商住楼地震下底框柱支撑失效 4 3关键构件法 对于拆除后可能引发大范围坍塌的结构构件 应设计为 关键构件 或者 重点保护构件 使其具有足够的强度能在一定程度上抵御意外荷载作用 如图4 3所示为都江堰某六层底框住宅楼 对于底框结构 底层剪力墙本身就是很重要的构件 应设计为 关键构件 但该建筑在震前的改造中拆除了某部位的底层横墙 结果在地震中该部位一端整体倒塌 而其他部分未倒塌 图4 3都江堰市某底框住宅楼 5 结构抗连续倒塌实例分析 采用逐个拆除构件的方法分别对抗震设防烈度为7度和8度的两栋典型的中小学框架结构教学楼进行分析 其结构三维模型与标准层平面图如图5 1 5 2所示 图5 1框架三维模型 短边跨度3000 7200 长边边跨度4500 层高3600 图5 27度和8度结构标准层平面图 5 1原始结构拆除构件分析 按照 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3 2010 中第3 12 3条的抗连续倒塌的拆除构件法采取以下具体的方法 1 逐层拆除结构角柱Z1 短边中柱Z2 长边中部柱Z9和底层内部柱Z5 2 采用线性静力方法分析剩余结构的轴力 弯矩和剪力 3 判断剩余结构构件承载力是否符合要求 符合则说明构件未失效 反之失效 5 2计算结果及分析 5 2 1按弹性静力方法进行弯矩比较并考虑楼板内钢筋的拉结作用逐层拆除各柱 计算相邻两端的弯矩 并与极限弯矩进行比较 表中列出顶层框架梁考虑楼板内钢筋的拉结作用后的抗倒塌能力 结果在表中括号内显示 表示未失效 表5 17度和8度拆除角柱Z1后构件失效情况对比 L1C L2C 表4 27度和8度拆除短边中柱Z2后构件失效情况对比 L3C L4C 表5 37度和8度拆除长边中柱Z9后构件失效情况对比 L8 L10 L9 从表5 1 5 2可知 拆除角柱导致其上的大部分梁失效 尤其是与所拆除柱相连的梁 这是因为考虑动力荷载的缘故 相比于拆除脚柱 拆除短边中柱后失效梁数量明显减少 拆除短边中柱Z2后 荷载可以沿三个方向传递 而拆除角柱Z1时只能沿两个方向传递 而且跨度很大 同时 从表中可以看出高烈度设防下梁的失效情况明显好于低烈度设防 也就是说抗震设防烈度高的结构抗倒塌能力要强于设防烈度低的结构 5 2 2按 混凝土结构设计规范 考虑的悬链线作用 混凝土结构设计规范 GB50010 2010 第3 6 2条指出在结构局部竖向构件失效的条件下 可根据具体情况分别按梁 拉结模型 悬索 拉结模型和悬臂 拉结模型进行承载力验算 维持结构的整体稳固性 只有梁沿一个方向纵筋贯通 才可以考虑梁的悬链线机制 因此去除角柱的情况无悬链线作用 对于拆除长边中柱Z8的情况按悬链线机制验算顶层梁失效情况 结果见表4 4 其中 表示未失效 表5 4拆除长边中柱Z8后顶层梁失效情况 考虑悬链线机制 由表5 4可以看出 考虑悬链线机制后 拆除长边中柱Z8时原来失效的梁均转为未失效 这也说明在考虑悬链线机制时按常规设计的梁钢筋用量可以抵抗长边中柱Z8意外失效时连续倒塌 6 结论 1 发生连续