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=灾难石油平台油气爆爆炸平台名称：深水水地平线。长112m，宽78m，高97.4m，吃水23m。位于美国新奥尔尔良东南130英里处。作业者者：BP造价3.5亿美元，日费50万美元。人员：：126人事故经过：2010年4月20日，该近海钻井井平台发生爆炸炸，平台燃烧36小时后，造成11人失踪，115人获救（17人受伤）。石油平台油气爆爆炸深水地平线事故故后果：给BP公司带来巨大经经济损失：事故故发生两周内BP股票下挫17%，市值蒸发近320亿美元。BP面临数十亿美元元的赔偿，2009年该公司利润为为166亿美元。生态带带来灾难：生态态平衡被破坏。。海洋平台倒塌的的最终原因往往往是长时间燃烧烧，但爆炸往往往是灾难的起点点，加剧损失。。全球核电站分布布当前世界上已有有450多座核反应堆电电站并网发电，，核电总装机容容量已达3.5亿kw以上，约占世界界发电总量的17%。1986年4月26日，前苏联切尔尔诺贝利核电站站发生世界上最最严重的核事故故。INES等级达到7级的核事故。辐射云覆盖欧洲洲东部、西部和和北部大部分地地区，有超过33.5万人被迫撤离疏疏散区。此次核核事故的直接死死亡人数为53人，另有数千人人因受到辐射患患上各种慢性病病。核电站事故-爆炸福岛第一核电站站位于东京东北北部170英里，是世界上上规模最大的核核电站之一。2011年3月11日，日本发生9级大地震，引起起的断电导致反反应堆冷却剂泵泵停止工作。存存放在地势较低低地区的备用柴柴油发电机也在在地震引发的海海啸中严重受损损。INES等级达到7级的核事故。核电站事故-爆炸中国百年大地震震一览图地震：新中国成立以来来发生6.5级以上的强震55次汶川地震连续性性倒塌实例校舍连续性倒塌塌都江堰聚源中学学教学楼倒塌后结构组成形式右一：预制板与与进深梁无拉结结；右二：进深梁下下无构造柱。汶川地震连续性性倒塌实例小震不坏、中震震可修、大震不不倒。设防大震震比设防中震高高一度。地震具有高度不不确定性，很多多6、7度地震区发生了了超过规范设定定“大震”等级级的地震，可称称为“巨震”。。例如汶川震中中达11度。当结构遇到高于于设防大烈度时时怎样设计？小震不坏、中震震可修、大震不不倒、巨震避难难单元不倒巨震的抗倒塌设设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通过上述事故案案例分析得：结构体系的复杂杂性在日益增加加。结构倒塌及次生生灾害是造成人人员伤亡的真正正“元凶”。重重大工程破坏、、倒塌的社会综综合影响日益严严重。自然灾害、人为为失误以及设备备老化都是无法法回避的现实。。当前面临的问题题并不是未来是是否会发生另一一场重大事故，，而是“何时”发生。极端荷载下结构构的破坏、倒塌塌、防护问题会会成为将来一个个重要的社会关关注和研究热点点。倒塌事故小结定义：建筑结构构的连续性倒塌塌(ProgressiveCollapse)是指结构部分构构件或局部发生生破坏后其周围围构件相继发生生破坏甚至导致致整个结构完全全倒塌的现象。。特点：破坏具有有“连续性”与与“不成比例性性”，即随后的破坏坏紧随最初的破破坏，且最终破破坏的范围远大大于初始破坏[Ellingwood.B,1978]。连续性倒塌破坏坏往往由非常规规荷载作用引起起，非常规荷载载包括炸弹爆炸炸、汽车撞击、、地震、海啸等等作用。连续性倒塌的定定义1.极端荷载下结构构倒塌的事故概概况2.抗倒塌的规范情情况3.代表性的研究成成果介绍4.几点思考主要内容国外抗连续倒塌塌设计规范现状状英国：BuildingRegulation,BSl00混凝土规范加拿大：NationalBuildingCodeforCanada欧洲：Eurocode1美国：《联邦政府办公公楼以及大型现现代建筑连续倒倒塌分析和设计计指南》(GSA2003),《建筑抗连续倒倒塌设计》(DoD2005/2009)日本：《倒塌控制设计指指南》中国：？各国规范编制时时间表英国是最早对建建筑结构进行抗抗连续倒塌设计计的国家。1968年RonanPoint公寓倒塌事件发发生后，英国政政府制定了相应应的规范。1976年在BuildingRegulation中规定：结构在偶然荷载载下不应发生与与初始破坏不相相称的大面积坍坍塌，并提出了了拉结强度设计计，构件的跨越越能力设计以及及关键构件设计计三种设计方法法。BSl00混凝土土规范范中规规定：：结构构不应应存在在明显显薄弱弱层，，且每每个楼楼层应应能承承受该该楼层层自重重1.5％的水水平荷荷载，，以保保证结结构在在意外外荷载载下的的稳定定性。。英国将将抗连连续倒倒塌设设计方方法纳纳入规规范已已有近近40年的历历史，，实践践证明明这些些方法法有一一定的的成效效。多多年来来英国国规范范对世世界其其它各各国的的抗连连续倒倒塌规规范都都产生生了很很大的的影响响。在RonanPoint公寓倒倒塌事事件发发生后后，加加拿大大也是是做出出反应应较早早的国国家。。其现行行建筑筑规范范(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破坏。。美国是是受恐恐怖袭袭击较较严重重的国国家，，近年年来很很多机机构和和部门门都对对结构构抗连连续倒倒塌的的设计计规范范作出出了规规定。。美国国混凝凝土协协会ACI规定了了一系系列提提高结结构延延性和和完整整性的的措施施。美国公公共事事业管管理局局(GSA)2003年制定定了判判断建建筑物物是否否可以以免于于进行行抗连连续倒倒塌分分析的的流程程，考考虑了了建筑筑物的的用途途、安安全等等级、、使用用年限限以及及材料料、结结构形形式等等因素素。另另外，，该指指南还还建议议了一一些设设计概概念，，以提提高新新建建建筑的的抗连连续倒倒塌能能力，，包括提提高结结构冗冗余度度、延延性、、连续续性以以及考考虑反反向荷荷载作作用等等。美国国国防部部(DoD)2005/2009年制定定的规规范中中指出出，国国防设设施应应具有有抵抗抗不可可预测测事件件造成成的结结构连连续倒倒塌风风险的的能力力。该该规范范将建建筑抗抗连续续倒塌塌设计计分为为两级级：对于低低安全全等级级的结结构应应保障障其水水平和和竖向向拉结结强度度；对对于高高等级级的建建筑除除保障障其水水平、、竖向向拉结结强度度外，，还需需满足足ASCE-7介绍的的多路路径传传递法法的要要求，，以及结结构延延性和和完整整性的的要求求。2001年美国国世贸贸大楼楼倒塌塌后，，通过过考察察局部部构件件失效效和火火灾事事故下下钢构构件强强度退退化对对高层层建筑筑承载载性能能的影影响，，研究究了冗冗余度度对抵抵抗结结构连连续性性倒塌塌破坏坏的作作用和和高性性能耐耐火钢钢的开开发应应用前前景，，并提提出了了简单单的高高层建建筑抗抗倒塌塌设计计验算算方法法；另另外，，对大大跨空空间结结构的的敏感感性分分析也也作了了一定定的研研究工工作。。作为这这项研研究成成果，，日本钢钢结构构协会会和美美国高高层建建筑与与城市市生态态环境境委员员会联联合编编制了了《倒塌控控制设设计指指南》，分设设计卷卷和研研究卷卷两卷卷。[1]JapaneseSocietyofSteelConstruction&CouncilonTallBuildingsandUrbanHabitat．GuidelinesforCollapseControlDesign-ConstructionofSteelBuildingswithHighRedundancy[S]．2004．我国规规范还还没有有在抗抗连续续性倒倒塌方方面做做出明明确规规定，，只是是在GB50010《混凝土土结构构设计计规范范》的第3.1.6条中规规定：：结构应应具有有整体体稳定定性，，结构构的局局部破破坏不不应导导致大大范围围的倒倒塌。。规范只只对结结构抗抗连续续倒塌塌进行行了定定性的的说明明，并并没有有具体体的方方法和和要求求，缺缺乏可可操作作性。。规范比比较

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指需求求能力力比CIF指抗力力增大大系数数RLIF指相对对荷载载增大大系数数DIF指动力力放大大系数数θpra指框架架梁端端的塑塑性转转角θy指框架架梁端端的屈屈服转转角1.极端荷荷载下下结构构倒塌塌的事事故概概况2.抗倒塌的规范情情况3.代表性的研究成成果介绍4.几点思考主要内容代表性的研究成成果介绍1.爆破荷载下构件件的试验及数值值模拟。代表性的研究成成果介绍2.按照GSA或DoD规范，采用“去去柱”的方法，，对现有结构的的抗倒塌性能评评价。代表性的研究成成果介绍3.结构倒塌的数值值模拟（离散元元方法）代表性的研究成成果介绍4.提高抗倒塌能力力的拉结法设计计。代表性的研究成成果介绍5.提高抗倒