抗連續(xù)倒塌設計方法概述第1頁/共56頁教學計劃緒論部分第一周緒論專題一：基于性能的抗震設計理論第二周基于性能的抗震設計理論研究背景介紹第三周抗震設防水準與性能水準第四周Push-over分析方法第五周延性需求譜方法第六周機動時間1專題二：連續(xù)倒塌設計理論第七周連續(xù)倒塌設計理論研究背景第八周連續(xù)倒塌設計方法概述第九周設計方法1——構造措施方法第十周設計方法2——拆除構件法第十一周機動時間2專題三：鋼-混凝土組合結構第十二周鋼-組合結構研究進展第十三周混凝土本構模型介紹第十四周試驗研究第十五周試驗影響因素分析第十六周機動時間3總結部分第十七周提交論文第2頁/共56頁專題2：連續(xù)倒塌設計理論研究進展混凝土本構模型組合梁試驗研究試驗影響因素分析及結論專題3：鋼-混凝土組合結構理論背景抗震設防水準性能水準設計方法專題1：基于性能的抗震設計理論緒論什么是現(xiàn)代建筑？現(xiàn)代建筑面臨的問題本課程的主要內容教學計劃和考評關注重點：研究進展、Push-over分析方法、延性需求譜、地震波選波問題。關注重點：研究進展，本構關系，試驗方法研究的主要步驟及細節(jié)問題理論背景連續(xù)倒塌設計方法概述設計方法一設計方法二關注重點：研究進展、倒塌判別標準研究、拆除構件法第3頁/共56頁今天講課內容Contentintoday'slecture連續(xù)倒塌的類型抵抗連續(xù)倒塌的思路抗連續(xù)倒塌的設計方法概述兩個研究案例

第4頁/共56頁1

連續(xù)倒塌的類型①薄餅型該類型的主要特征是局部豎向承重構件發(fā)生初始破壞，上部結構失去有效支承而坍塌墜落，重力勢能轉化為動能，給下部結構造成一定的沖擊，導致下部豎向承重構件繼續(xù)破壞，整個連續(xù)性倒塌沿著結構的豎向進行。坍塌——建筑結構局部或整體從原有位置向下塌落的過程第5頁/共56頁②拉鏈型主要特征是初始局部破壞發(fā)生后，剩余結構在內力重分布和構件突然失效所產生的動力沖擊作用下不斷產生新的失效構件，形成新的內力重分布，直至結構的整體倒塌或剩余結構達到某一平衡狀態(tài)。由于整個倒塌過程在內力重分布的作用下，如同拉拉鏈一般環(huán)環(huán)相扣，故以此命名。傾倒——建筑結構從某一高度或整體向一側倒伏的破壞形式第6頁/共56頁③多米諾骨牌型顧名思義，該類型多發(fā)生在含有離散單元的結構體系中，其連續(xù)性倒塌過程如同推倒多米諾骨牌一樣，例如輸電線路上輸電塔的連續(xù)性倒塌。第7頁/共56頁④失穩(wěn)型該類型的主要特征是作為支承的受壓構件因突然事件而失穩(wěn)并喪失承載能力，剩余構件由于內力重分布或是其它原因相繼失效破壞，該類型主要突出受壓構件的失穩(wěn)破壞對整體結構抗倒塌性能的影響。⑤混合型即在連續(xù)性倒塌過程中構件的力學性能表現(xiàn)不能完全歸結為上述4類中的任何一種。第8頁/共56頁結構連續(xù)性倒塌的本質可歸結為:意外事件作用下，結構原有支承模式或邊界條件發(fā)生變化，部分構件因喪失承載能力而退出工作，并在結構中產生一定的動力效應;剩余結構在靜力及動力的雙重作用下進行內力重分布，尋找新的平衡狀態(tài)，這一過程中不斷有新的構件因強度、穩(wěn)定或變形的原因而失效;最后剩余結構達到了新的平衡狀態(tài)或是結構發(fā)生了整體倒塌。2

抵抗結構連續(xù)倒塌的思路第9頁/共56頁2

抵抗結構連續(xù)倒塌的思路①局部結構的加強根據研究對象的不同，可將局部結構加強的措施分為三種：局部構件的強度及延性的加強；結構局部關鍵節(jié)點的強度及延性的加強；結構冗余度的加強。第10頁/共56頁到發(fā)線到發(fā)線正線

國內高鐵客站正線側結構柱受脫軌列車的撞擊影響力最大速度快站臺站臺站臺站臺第11頁/共56頁CRH2撞擊簡化模型

數值分析柱底固端約束上部設計荷載基本工況

沖擊方向撞擊區(qū)域網格加密第12頁/共56頁

破壞形態(tài)：基本工況下結構柱破壞形式

撞擊耗能：A-B段

數值分析結構柱耗能列車耗能結構柱：彎剪破壞高鐵列車:局部壓縮結構柱、列車耗能能力總和列車能量變化第13頁/共56頁

模型概況

模型尺寸

撞擊區(qū)域

配箍情況

防護墩模型

架立鋼筋

第14頁/共56頁美國總務管理局(GSA)針對新型鋼節(jié)點所做的爆炸作用下節(jié)點的性能研究試驗。該試驗以如圖中所示新一代鋼節(jié)點作為研究重點，分析了其在爆炸作用下的性能表現(xiàn)。該新型鋼節(jié)點以傳統(tǒng)鋼節(jié)點為基礎，在四周添加了一系列蓋板，加強了節(jié)點連接處的整體性第15頁/共56頁②區(qū)域隔斷有些學者認為，過強的構件及節(jié)點延性會對結構的抗連續(xù)性倒塌能力產生不利的影響。因而需在結構中設置部分脆性構件，以阻止在內力重分布或其它因素的影響下桿件之間的連鎖破壞在結構內部廣泛開展。法國巴黎戴高樂國際機場倒塌事故現(xiàn)場

2004年5月23日早上7時左右，巴黎戴高樂2e機場候機廳突然發(fā)生部分屋頂坍塌，造成4死3傷第16頁/共56頁五角大樓飛機撞擊倒塌事故現(xiàn)場美國東部時間2001年9月11日上午美國紐約和華盛頓及其他一些城市相繼遭受恐怖襲擊，下面是遭受襲擊的大事記：8點45分，一架從波士頓飛往紐約的美國航空公司（AmericanAirlines）的波音767飛機（航班號Flight11）遭挾持，撞到了紐約曼哈頓世界貿易中心南側大樓，飛機“撕開”了大樓，在大約距地面20層造成滾滾濃煙，并發(fā)生爆炸。9點3分，又一架小型飛機以極快的速度沖向世貿中心北側大樓。飛機從大樓的一側撞入，由另一側穿出，并引起巨大爆炸。兩起爆炸造成了數千人傷亡。9點25分左右，美國總統(tǒng)布什發(fā)表講話稱，美國正遭到恐怖分子襲擊，美國政府將對飛機失事原因展開全面調查。另外他宣布世貿中心遭襲擊是一個“國家災難”。在講話中，布什表示美國政府不會姑息縱容任何恐怖主義行徑，同時他對在此事件中遭受不幸的美國人民和家庭表示沉痛的哀悼。9點35分左右，位于首都華盛頓中心的美國國防部五角大樓遭飛機撞擊，并發(fā)生大火。五角大樓已經部分坍塌。白宮、財政部、國務院及其他主要政府機構內的人員開始撤離。幾乎與此同時，國會山也發(fā)生了爆炸，濃煙滾滾。五角大樓發(fā)出最高國家安全警告。美國聯(lián)邦航空局下令關閉所有機場，命令所有飛機停飛。10時30分左右，紐約世貿中心姊妹樓再次爆炸，然后相繼發(fā)生大規(guī)模坍塌。估計將近5萬人正在這兩座大樓內工作。幾分鐘后，一架遭挾持的美國聯(lián)合航空公司（UnitedAirlines）的飛機在賓夕法尼亞州匹茲堡市墜毀。第17頁/共56頁新廣州站主站房屋蓋體系中，五榀聯(lián)系桁架是沿結構長邊方向的剛性隔離帶，其成功地將整體結構劃分為6個近乎獨立的小區(qū)域，限制了結構的連續(xù)性破壞沿屋蓋長邊方向的開展第18頁/共56頁現(xiàn)行國家標準《工程結構設計可靠性統(tǒng)一標準》GB50068規(guī)定，“當結構發(fā)生爆炸、撞擊、人為錯誤等偶然事件時，結構能保持必須的整體穩(wěn)定性，不出現(xiàn)與起因不相稱的破壞后果，防止出現(xiàn)結構的連續(xù)倒塌?！爆F(xiàn)行國家標準《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》GB50153規(guī)定，“允許主要承重結構因出現(xiàn)設計規(guī)定的偶然事件而局部破壞，但其剩余部分具有在一段時間內不發(fā)生連續(xù)倒塌的可靠度?！薄痘炷两Y構設計規(guī)范》GB50010規(guī)定了混凝土結構防連續(xù)倒塌設計原則。現(xiàn)行行業(yè)標準《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》JGJ3規(guī)定，安全等級為一級的高層建筑，應滿足抗連續(xù)倒塌概念設計的要求，安全等級為一級、有特殊要求的高層建筑，可采用拆除構件法進行抗連續(xù)倒塌設計?！斗课萁ㄖ惯B續(xù)倒塌設計規(guī)程》3結構抗連續(xù)倒塌設計方法概述第19頁/共56頁概念設計法——以定性設計為主，其中有些定性設計通過定量設計予以實現(xiàn)拉結構件法——設置豎向、水平通長鋼筋，并采取有效的連接錨固措施，將結構連成一個整體。拆除構件法——最常用設計方法，美國有關標準稱為AP法（AlternatePathMethod).首先從結構模型中移除按一定規(guī)則選定的一根受力構件，模擬結構構件瞬間失效，然后對剩余結構在規(guī)定的荷載作用下進行力學計算，由剩余結構構件的內力和變形，根據規(guī)定的接受準則，評定是否導致其它構件失效。局部加強法第20頁/共56頁①概念設計法——以定性設計為主，其中有些定性設計通過定量設計予以實現(xiàn)

總則：

第21頁/共56頁①概念設計法——以定性設計為主，其中有些定性設計通過定量設計予以實現(xiàn)鋼筋混凝土框架結構鋼框架結構第22頁/共56頁①概念設計法——以定性設計為主，其中有些定性設計通過定量設計予以實現(xiàn)大跨空間鋼結構第23頁/共56頁對于多高層結構，目前常通過拉結力設計、拆除構件法或采用良好構造措施等方法實現(xiàn)結構抗連續(xù)性倒塌。第24頁/共56頁②拉結力設計法主要是通過構造措施提高結構內部及周邊的拉結力，依靠局部構件失效后結構的懸鏈線效應維持結構的基本承載能力，滿足最低的抗拉強度要求達到抗連續(xù)性倒塌的目的。第25頁/共56頁懸鏈線機制和梁機制第26頁/共56頁為了使豎向構件的失效對結構響應產生較大的影響，豎向構件的失效必須是瞬時的。ＧＳＡ規(guī)范建議在動力分析時，豎向構件失效的時間不應大于結構豎向振動周期的１／１０。同時，豎向構件的失效不能影響同一樓面與之相連的節(jié)點或水平構件的連接。

第27頁/共56頁研究范圍：列車運行速度v≤250km/h結構柱外緣與軌道中心線距離y≤3m技術路線示意圖4兩個案例第28頁/共56頁1.我國高鐵站房特點大型、特大型站房基本都有高架候車室站房。高架候車室站房結構特點:大跨度框架結構（局部大跨度框架結構）梁：預應力混凝土梁、鋼桁架、鋼骨混凝土梁柱：鋼管（骨）混凝土柱或鋼筋混凝土柱板：鋼筋混凝土樓板或預應力鋼筋混凝土板雨棚結構特點結構形式主要為張弦結構、桁架結構，實腹梁結構等。通常平面張弦梁結構，剛度相對較差，冗余度低，抗倒塌能力較薄弱，因此，選擇張弦梁結構作為研究類型。第29頁/共56頁2.歐洲規(guī)范規(guī)定EuropeanCommitteeforStandardization.BSEN1991-1-7Eurocode1-Actionsonstructures-Part1-7:Generalactions-Accidentalactions[S].London:TheBritishStandardsInstitute(BSI),2006.InternationalUnionofRailways(UIC).UIC777-2RStructuresBuiltoverRailwayLines-ConstructionRequirementsintheTrackZone[S].Paris:2002.小結：（1）適用范圍：對A類結構（人員密度大的結構），列車的運行速度≤120km/h。（2）結構最外邊緣與軌道中心線的最近距離d>5m時，不考慮列車脫軌撞擊的影響。（3）按結構與軌道中心線的距離進行危險分區(qū)。（4）對第一危險分區(qū)，兩本規(guī)范所采納策略不同。（5）撞擊荷載等效靜力設計值不同。第30頁/共56頁荷載研究列車脫軌姿態(tài)研究——目的確定危險分區(qū)，確定兩個方向的撞擊速度小結：（1）按目前站房的實際情況，本報告僅研究y≤3m，正線兩側結構所承受的撞擊力。（2）列車的橫向脫軌速度分量vy始終較小，脫軌列車的運行速度主要以順軌道方向的縱向脫軌速度vx為主。（3）列車與結構柱的碰撞分為正碰、側碰。注：y為垂直軌道方向位移,vx為沿軌道方向撞擊速度（縱向），vy為垂直軌道方向撞擊速度（橫向），ve為運行速度（或者初始脫軌速度）。第31頁/共56頁脫軌列車撞擊結構柱狀態(tài)示意圖(a)正碰(b)側碰撞擊荷載——根據速度Vx，Vy、撞擊角度確定撞擊荷載大小

撞擊力峰值：沿軌道方向Fx=40MN，垂直軌道方向Fy=4MN第32頁/共56頁1實驗研究（1）站房結構柱抗撞擊性能試驗研究沖擊試驗在太原理工大學應用力學研究所的DHR9401落錘式沖擊試驗機上進行。DHR9401落錘式沖擊試驗機最高達到13.47m，有效落距12.6m，相應沖擊速度可高達15.7m/s。落錘質量可在2~250kg。局部破壞試驗結構柱類型：鋼筋混凝土柱、鋼管加固鋼筋混凝土柱、復合柱114114試件端板A—A圖4.7鋼管加固鋼筋混凝土柱、復合柱截面示意圖114試件端板A—A114第33頁/共56頁小結：（1）鋼筋混凝土柱抗沖擊能力較差。（2）相同含鋼率下，復合柱對改善結構抗沖擊性能作用不大。（3）鋼管混凝土柱抗沖擊性能良好，增大鋼管外壁厚度對于抗沖擊性能有很大的提高。（4）實驗表明：鋼管混凝土柱的抗沖擊性能是鋼筋混凝土柱的2倍，鋼骨混凝土柱的抗沖擊性能是鋼筋混凝土柱的1.5倍。第34頁/共56頁混凝土本構關系參數驗證試驗通過對比撞擊試驗和數值計算結果，對低速碰撞條件下混凝土力學性能進行評估，以校核數值計算模型中混凝土材料的參數體系。

撞擊作用時程曲線對比第35頁/共56頁有限元分析目的：確定正線列車脫軌撞擊時結構柱的破壞根數表4.3雨棚柱正撞拆除根數雨棚柱直徑（mm）柱間距（m）15182124273033600撞擊根數3333222撞斷根數2222222700撞擊根數3332222撞斷根數2222221800撞擊根數3322222撞斷根數2222111900撞擊根數2222222撞斷根數1111111950撞擊根數2222222撞斷根數1111111第36頁/共56頁尺寸（mm）形式遭受撞擊完全破壞滑移距離(m)1300×20圓鋼管混凝土柱1根1根3.211300×40圓鋼管混凝土柱1根0根0.001300×40方鋼管混凝土柱1根0根0.001500×20圓鋼管混凝土柱1根1根3.811600×1600方形鋼筋混凝土柱1根1根0.002000×40圓鋼管混凝土柱1根0根0.00表4.4主站房軌道層結構柱拆除根數第37頁/共56頁整體破壞——基于拆除構件法1.雨棚整體性分析(a)濟南西雨棚(b)呼和浩特東站雨棚雨棚分析模型第38頁/共56頁小結：（1）拆除兩根柱時，雨棚結構不會發(fā)生連續(xù)倒塌。（2）邊柱失效對雨棚抗連續(xù)倒塌性能影響大于中柱。（3）平面張弦梁結構應減小各榀張弦梁間距，加強平面外縱向聯(lián)系：應提高屋面檁條的拉結作用，檁條與上弦梁的連接宜為固結連接方式。注：本結論由平面張弦梁結構分析得到，同樣適用于平面桁架結構、平面實腹梁結構。第39頁/共56頁研究思路研究現(xiàn)狀BritishStandardEurocode1&Eurocode2UFC4-023-03GSA2003DOD2010GB50010-2010結構概念設計法局部抗力設計法拉結力設計法替代路徑法（拆除構件法）結構抗震與抗連續(xù)倒塌拆除構件法基于能量的抗連續(xù)倒塌分析結構魯棒性《基于節(jié)點重要性系數的聯(lián)方型柱面網殼結構抗連續(xù)倒塌研究》第40頁/共56頁研究思路重要性系數構件重要性系數

節(jié)點重要性系數

第41頁/共56頁研究思路分析方法線彈性分析方法特征值屈曲分析屈曲荷載（臨界荷載）非線性分析方法Newton-Raphson極限荷載第42頁/共56頁非線性分析方法非線性分析方法幾何非線性材料非線性邊界非線性Newton-Raphson弧長法第43頁/共56頁研究內容工程概況結構優(yōu)化特征值屈曲分析非線性分析增強結構抗連續(xù)倒塌的方法第44頁/共56頁工程概況其中拱形屋面為聯(lián)方型單層柱面網殼，跨度114m，矢高35.9m，長度365.5m，含懸挑長度為398m。雙向變截面梁拱型結構。第45頁/共56頁結構優(yōu)化雙向變截面梁+虛面雙向變截面梁等截面梁優(yōu)化中間拱構件第46頁/共56頁特征值屈曲分析（構件重要性系數）特征值屈曲分析結構變形圖選取拆除構件1~9號構件重要性系數柱狀圖1~9號構件重要性系數第47頁/共56頁特征值屈曲分析（節(jié)點重要性系數）特征值屈曲分析結構變形圖選取拆除構件1~3組節(jié)點重要性系數柱狀圖1~3組節(jié)點重要性系數第48頁/共56頁特征值屈曲分析（小結）本章先依次拆除構件1號~9號，通過計算構件重要性系數，發(fā)現(xiàn)構件變形大小與之并無相關性。例如構件1在屈曲分析中變形是最大的，而構件1重要性系數反而為負值。因此本章提出節(jié)點重要性系數的辦法，依次拆除圖3-18中三組節(jié)點及其周圍的構件。再計算節(jié)點重要性系數，發(fā)現(xiàn)節(jié)點重要性系數的大小與特征值屈曲分析中節(jié)點及其周圍的構件變形量大小是對應關系。由于特征值屈曲分析只是線彈性階段的計算分析，且特征值屈曲分析并沒有考慮外荷載的情況，無法反映荷載分布對結構破壞發(fā)展的影響，因此還需要通過非線性分析進一步討論。第49頁/共56頁非線性分析（構件重要性系數）結構變形圖vonMises應力圖拆除構件位置1~4組構件重要性系數1~4組構件重要性系數柱狀圖第50頁