我国防止结构连续倒塌设计的要求

《高规》新增了防连续倒塌的设计要求，实际工程中应注意哪些具体问题?

抗连续倒塌设计是《高规》新增加的内容，包括抗地震(《房屋建筑防倒塌设计规程》提出极罕遇地震的概念)连续倒塌和抗偶然事件连续倒塌。结构的抗连续倒塌应注重抗倒塌概念设计，注意采取提高结构整体牢固性的措施，防止因偶然事件造成的结构局部破坏而导致的结构整体倒塌。《荷载规范》的相关内容见其第10章。

[问题分析]

1.结构抗连续倒塌的基本要求

1)安全等级为一级的高层建筑结构应满足抗连续倒塌概念设计的要求;有特殊要求时，可采用拆除构件方法进行抗连续倒塌设计。

2)高层建筑结构应具有在偶然作用(指:爆炸、撞击、火灾、飓风、暴雪、洪水、地震、设计施工失误、地基基础失效等)发生时适宜的抗连续倒塌能力。

(1)结构连续倒塌是指结构因突发事件或严重超载而造成局部结构破坏失效，继而引起与失效破坏构件相连的构件的连续破坏，最终导致相对于初始局部破坏更大范围的倒塌破坏。

(2)结构局部构件失效后，破坏范围可能沿水平方向和竖直方向发展，其中破坏沿竖向发展影响更为突出(如“911”灾难中，世贸大楼受飞机撞击的楼层结构丧失竖向承载力，上部结构的重力荷载对下部楼层产生巨大的冲击力，导致下部楼层乃至整个结构的连续倒塌)，高层建筑结构抗连续倒塌更显重要。造成结构连续倒塌的原因可以是爆炸、撞击、火灾、飓风、地震、设计施工失误、地基基础失效等偶然因素。当偶然因素导致局部结构破坏失效时，整体结构不能形成有效的多重荷载传递路径，破坏范围就可能沿水平方向或者竖直方向蔓延，最终导致结构发生大范围的倒塌甚至是结构的整体倒塌。

3)国内抗连续倒塌的相关要求

(1)我国《建筑结构可靠度设计统一标准》 GB 50068第3.0.6条对结构抗连续倒塌也做了定性的规定“对偶然状况，建筑结构可采用下列原则之一按承载能力极限状态进行设计:

①按作用效应的偶然荷载组合进行设计或采取保护措施，使主要承重结构不致因出现设计规定的偶然事件而丧失承载能力;

②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”。

(2)《高规》规定，安全等级一级时，应满足抗连续倒塌概念设计的要求(见《高规》第3.12.2条);有特殊要求时，可采用拆除构件方法(见《高规》第3.12.3条)进行抗连续倒塌设计;这些是结构抗连续倒塌的基本要求。

2.抗连续倒塌概念设计

1)抗连续倒塌概念设计的基本要求

(1)采取必要的结构连接措施，增强结构的整体性。

(2)主体结构宜采用多跨规则的超静定结构。

(3)结构构件应具有适宜的延性，避免剪切破坏、压溃破坏、锚固破坏、节点先于构件破坏。

(4)结构构件应具有一定的反向承载能力。

(5)周边及边跨框架的柱距不宜过大。

(6)转换结构应具有整体多重传递重力荷载途径。

(7)钢筋混凝土结构梁柱宜刚接，梁板顶、底钢筋在支座处宜按受拉要求连续贯通。

(8)钢结构框架梁柱宜刚接。

(9)独立基础之间宜采用拉梁连接。

2)抗连续倒塌概念设计的基本做法

(1)结构的防连续倒塌设计应特别注意提高结构的整体牢固性，不允许采用摩擦连接传递重力荷载，应采用构件连接(刚接或铰接)传递重力荷载，具有适宜的多余约束性(构件间宜采用刚接)、整体连续性(增加多余约束)、稳固性和延性(和一般工程设计不同，应特别注意结构构件支座底钢筋受拉锚固的有效性，确保结构的有效拉结，提高结构的整体牢固性及构件的反向承载力，提高结构“抗意外作用”的能力)。

(2)有效拉结是防止结构连续倒塌的最有效办法，包括水平拉结、竖向拉结和楼板拉结(见图2.5.5-1):

①水平拉结指水平构件(如框架梁等)对所有竖向构件(如框架柱等)的拉结，要求节点按受拉锚固设计，当某一竖向构件(如框架柱)失效时，水平构件及其连接节点应能承受相应的悬挂拉力。

②竖向拉结指竖向构件(如框架柱等)应按竖向受拉构件(一般情况下为偏心受压构件)设计，并沿全高连续，沿两个方向均匀分布。当某一竖向构件(如框架柱)失效时，上层竖向构件及其节点应能承受相应的悬挂拉力，竖向拉结及其连接的最小拉力值可按拉接构件承受楼层(竖向构件下端楼层)的竖向荷载计算(按竖向构件的受荷范围计算)。

③楼板拉结，要求楼板支座钢筋按受拉锚固设计并具有足够的抗拉能力，当某一竖向构件(如框架柱)失效时，上层楼板应能承受相应的悬挂拉力，并将悬挂力传递至两端稳定结构。确保结构不发生连续倒塌。

(3)水平构件应具有一定的反向承载能力，如连续梁边支座、非地震区简支梁支座顶面及连续梁、框架梁梁中支座底面应有一定数量的配筋及满足受拉锚固要求的连接构造，以保证偶然作用发生时，该构件具有一定的反向承载力，防止结构连续倒塌。

(4)房屋的边、角部属于结构抗连续倒塌的薄弱环节，跨度越大，结构的抗连续倒塌能力越差，实际工程中应尽量避免在房屋边、角部的大柱距，宜采用较小的柱网布置。

(5)“转换结构应具有整体多重传递重力荷载的途径”指转换结构应形成空间多重传连续倒塌。

3.抗连续倒塌的拆除构件方法(拆杆法)

1)拆杆法的基本要求:

(1)逐个分别拆除结构周边柱、底层内部柱以及转换桁架腹杆等重要构件。

(2)可采用弹性静力方法分析剩余结构的内力与变形。

(3)剩余结构构件承载力应符合下式要求:

2)拆除构件方法主要内容引自美国、英国有关规范。其中关于效应折减系数β，主要是考虑偶然作用发生后，结构进入弹塑性内力重分布，对中部水平构件有一定的卸载效应(即可考虑周边构件的架越作用)。

3)拆杆法的本质是转变传力途径，当构件失效(构件被拆除)时，正常的传力途径被破坏，要求结构具有足够的空间作用能力，具有多重传力途径，当一个方向的传力途径失效时，另一方向的传力途径应能保证结构最基本的传力要求。构件拆除法可适用于一般结构构件(如框架梁和中部框架柱等)，而对结构的关键构件(如角柱、转换梁等)则适应性较差，必要时应按第《高规》3.12.6条进行计算。

4)拆杆法是对结构构件的逐一拆除(一次只拆除一根)，也即，对拆除一根杆件(假定的失效杆件)后的计算模型进行一次计算分析，判断剩余结构的整体稳定性，并按此方法对需要拆除的杆件(如结构周边柱、底层内部柱以及转换桁架腹杆等重要构件)进行逐一拆除，并对相应的剩余结构进行整体稳定性分析。

4.结构抗连续倒塌设计时，荷载组合的内力设计值可按下式确定:

1)“标准值产生的效应”均指效应标准值。

2)结构抗连续倒塌设计时，荷载组合的内力设计值，实际就是在荷载效应的准永久组合基础上，考虑竖向荷载动力放大系数及风荷载的影响。

3)构件截面承载力计算时，混凝土强度可取标准值;钢材强度，正截面承载力验算时，可取标准值的1.25倍，受剪承载力验算时可取标准值。抗连续倒塌设计，属于一种偶然作用的设计状况，可考虑构件的材料强度标准值及材料超强系数，以保证最基本的承载力要求。

5.当拆除某构件不能满足结构抗连续倒塌设计要求时，在该构件表面附加80kN/m侧向偶然作用设计值，此时其承载力应满足下列公式要求:

1)参考美国国防部(DOD)制定的《建筑物最低反恐怖主义标准》(UFC4-010-01)，侧向偶然作用进人整体结构计算，复核满足该构件截面设计承载力要求。

2)着眼于在偶然作用(如爆炸等)下结构抗倒塌能力的验算(注意:结构仍需要承担重力荷载，也就是说对于所选定的结构构件除应承担规定的竖向荷载外，还受到侧向偶然作用)。

(1)对梁，当楼板整体性较好时，其侧向偶然作用(80h，其中h为包含楼板高度的梁高度，单位m，见图3.12.6-1)可认为由该楼层所有梁共同承担，对每根梁的影响不大;

(2)对于柱，作用于该柱的侧向偶然作用(80b,其中b为柱子在垂直于侧向荷载作用方向的截面宽度，单位m，见图2.5.5-2。注意柱子的侧向偶然作用仅在该层、该柱有，也就是与拆除构件法相同，采用一柱一计算方法，对选定的柱子作用一个一层高的侧向线荷载)由该柱承担，柱在侧向偶然作用下将产生侧向位移(整体结构的侧向位移0和柱自身的位移8)，由于主体结构的侧向刚度较大，故Δ值较小，而柱自身的δ较大，在竖向荷载和侧向偶然作用下，柱子的P-δ效应明显，应验算柱子的抗倒塌能力。

6.还应注意:地震区结构的抗连续倒塌设计，不得改变或破坏结构抗震设计的强弱(如强剪弱弯、强柱弱梁、强柱根等，还不应改变结构的侧向刚度、抗剪承载力等)比例关系。