專題二二：結結構抗抗連續(xù)續(xù)倒塌塌設計計理論論——連續(xù)倒倒塌設設計方方法概概述西南交通大大學土土木工工程學學院建建筑工工程系劉艷輝輝副教授授2016.4.11教學學計計劃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專題2：連續(xù)續(xù)倒塌塌設計計理論論研究進展混凝土土本構模模型組合梁梁試驗研研究試驗影響因因素分分析及及結論論專題3：鋼-混凝土土組合合結構構理論背背景抗震設設防水水準性能水水準設計方方法專題1：基于于性能能的抗抗震設設計理理論緒論什么是現代代建筑筑？現代建筑面面臨的的問題題本課程的的主要要內容容教學計劃和和考評評關注重重點：：研究進進展、、Push-over分析方方法、、延性性需求求譜、、地震震波選選波問問題。。關注重重點：：研究進進展，，本構構關系系，試驗驗方法法研究究的主主要步步驟及及細節(jié)節(jié)問題題理論背背景連續(xù)倒倒塌設設計方方法概概述設計方法一一設計方法二二關注重重點：：研究進進展、、倒塌塌判別別標準準研究究、拆拆除構構件法法今天講講課內內容Contentintoday'slecture連續(xù)倒塌的的類型型抵抗連連續(xù)倒倒塌的的思路路抗連續(xù)續(xù)倒塌的的設計方方法概概述兩個研究究案例例1連續(xù)倒倒塌的的類型型①薄薄餅型型該類型的的主要要特征征是局部豎豎向承承重構構件發(fā)生初初始破破壞，，上部部結構構失去去有效效支承承而坍坍塌墜墜落，，重力勢勢能轉轉化為為動能能，給下下部結結構造造成一一定的的沖擊擊，導導致下下部豎豎向承承重構構件繼繼續(xù)破破壞，，整個個連續(xù)續(xù)性倒倒塌沿著結結構的的豎向向進行行。坍塌——建筑結結構局局部或或整體體從原原有位位置向向下塌塌落的的過程程②拉拉鏈型主要特特征是是初始始局部部破壞壞發(fā)生生后，，剩余余結構構在內內力重重分布布和構構件突突然失失效所所產生生的動動力沖沖擊作作用下下不斷斷產生生新的的失效效構件件，形成新新的內內力重重分布布，直至至結構構的整整體倒倒塌或或剩余余結構構達到到某一一平衡衡狀態(tài)態(tài)。由于整整個倒倒塌過過程在在內力力重分分布的的作用用下，，如同同拉拉拉鏈一一般環(huán)環(huán)環(huán)相相扣，，故以以此命命名。。傾倒——建筑結結構從從某一一高度度或整整體向向一側側倒伏伏的破破壞形形式③多多米諾諾骨牌牌型顧名思思義，，該類類型多多發(fā)生生在含含有離散單單元的結構構體系系中，，其連連續(xù)性性倒塌塌過程程如同同推倒倒多米米諾骨骨牌一一樣，，例如如輸電電線路路上輸輸電塔塔的連連續(xù)性性倒塌塌。④失失穩(wěn)型該類型型的主主要特特征是是作為為支承承的受壓構構件因因突然然事件件而失失穩(wěn)并并喪失失承載載能力力，剩余余構件件由于于內力力重分分布或或是其其它原原因相相繼失失效破破壞，，該類類型主主要突突出受受壓構構件的的失穩(wěn)穩(wěn)破壞壞對整整體結結構抗抗倒塌塌性能能的影影響。。⑤混混合型型即在連連續(xù)性性倒塌塌過程程中構構件的的力學學性能能表現現不能能完全全歸結結為上上述4類中的的任何何一種種。結構連連續(xù)性性倒塌塌的本本質可可歸結結為:意外事事件作作用下下，結結構原原有支支承模模式或或邊界界條件件發(fā)生生變化化，部部分構構件因因喪失失承載載能力力而退退出工工作，，并在在結構構中產產生一一定的的動力效效應;剩余結結構在靜力力及動動力的的雙重重作用用下進進行內內力重重分布布，尋找找新的的平衡衡狀態(tài)態(tài)，這這一過過程中中不斷斷有新新的構構件因因強度、、穩(wěn)定定或變變形的原因因而失失效;最后剩剩余結結構達達到了了新的的平衡衡狀態(tài)態(tài)或是是結構構發(fā)生生了整整體倒倒塌。。2抵抗結結構連連續(xù)倒倒塌的的思路路2抵抗結結構連連續(xù)倒倒塌的的思路路①局局部結構的的加強強根據研研究對對象的的不同同，可可將局局部結結構加加強的的措施施分為為三種種：局部構件的強度度及延延性的的加強；結構局部關關鍵節(jié)節(jié)點的強度度及延延性的的加強；結構冗余度度的加強。到發(fā)線到發(fā)線正線國內高高鐵客客站正線側側結構構柱受脫軌軌列車車的撞撞擊影影響力力最大大速度快快站臺站臺站臺站臺CRH2撞擊簡簡化模模型數值分分析柱底固端約束上部設計荷載基本本工工況況

沖擊方向撞擊區(qū)域網格加密破壞形形態(tài)：基本工工況下下結構構柱破破壞形形式撞擊耗耗能：A-B段數值分分析結構柱耗能列車耗能結構柱柱：彎彎剪剪破壞壞高鐵列列車:局部壓壓縮結構柱柱、列列車耗耗能能能力總總和列車能量變化模型概概況模型尺尺寸撞擊區(qū)域配箍情情況防護墩墩模型型架立鋼鋼筋美國總總務管管理局局(GSA)針對新新型鋼鋼節(jié)點點所做做的爆爆炸作作用下下節(jié)點點的性性能研研究試試驗。。該試試驗以如圖中所示新新一代代鋼節(jié)節(jié)點作作為研研究重重點，，分析析了其其在爆爆炸作作用下下的性性能表表現。。該新新型鋼鋼節(jié)點點以傳傳統(tǒng)鋼鋼節(jié)點點為基基礎，，在四四周添添加了了一系系列蓋蓋板，，加強強了節(jié)節(jié)點連連接處處的整整體性性②區(qū)域隔斷有些學者認認為，過強強的構件及及節(jié)點延性性會對結構構的抗連續(xù)續(xù)性倒塌能能力產生不不利的影響響。因而需需在結構中中設置部分脆脆性構件，以阻止在在內力重分分布或其它它因素的影影響下桿件件之間的連連鎖破壞在在結構內部部廣泛開展展。法國巴黎戴戴高樂國際際機場倒塌塌事故現場場2004年5月23日早上7時左右，巴巴黎戴高樂樂2e機場候機廳廳突然發(fā)生生部分屋頂頂坍塌，造成成4死3傷五角大樓飛飛機撞擊倒塌事故現場美國東部時間2001年9月11日上午美國紐約和華盛盛頓及其他他一些城市市相繼遭受受恐怖襲擊擊，下面是是遭受襲擊擊的大事記記：8點45分，一架從從波士頓飛飛往紐約的的美國航空空公司（AmericanAirlines）的波音767飛機（航班班號Flight11）遭挾持，，撞到了紐紐約曼哈頓頓世界貿易易中心南側側大樓，飛飛機“撕開開”了大樓樓，在大約約距地面20層造成滾滾滾濃煙，并并發(fā)生爆炸炸。9點3分，又一一架小型飛飛機以極快快的速度沖沖向世貿中中心北側大大樓。飛機機從大樓的的一側撞入入，由另一一側穿出，，并引起巨巨大爆炸。。兩起爆炸炸造成了數數千人傷亡亡。9點25分左右，美美國總統(tǒng)布布什發(fā)表講講話稱，美美國正遭到到恐怖分子子襲擊，美美國政府將將對飛機失失事原因展展開全面調調查。另外外他宣布世世貿中心遭遭襲擊是一一個“國家家災難”。。在講話話中，布什什表示美國國政府不會會姑息縱容容任何恐怖怖主義行徑徑，同時他他對在此事事件中遭受受不幸的美美國人民和和家庭表示示沉痛的哀哀悼。9點35分左右，位位于首都華華盛頓中心心的美國國國防部五角角大樓遭飛飛機撞擊，，并發(fā)生大大火。五角角大樓已經經部分坍塌塌。白宮、、財政部、、國務院及及其他主要要政府機構構內的人員員開始撤離離。幾乎與此同同時，國會會山也發(fā)生生了爆炸，，濃煙滾滾滾。五角大大樓發(fā)出最最高國家安安全警告。。美國聯邦邦航空局下下令關閉所所有機場，，命令所有有飛機停飛飛。10時30分左右，紐紐約世貿中中心姊妹樓樓再次爆炸炸，然后相相繼發(fā)生大大規(guī)模坍塌塌。估計將將近5萬人正在這這兩座大樓樓內工作。。幾分鐘后，一架遭遭挾持的美美國聯合航航空公司（（UnitedAirlines）的飛機在在賓夕法尼尼亞州匹茲茲堡市墜毀毀。新廣州站主主站房屋蓋蓋體系中，，五榀聯系系桁架是沿沿結構長邊邊方向的剛性隔離帶帶，其成功地地將整體結構構劃分為6個近乎獨立立的小區(qū)域域，限制了結結構的連續(xù)續(xù)性破壞沿沿屋蓋長邊邊方向的開開展現行國家標標準《工程結構設設計可靠性性統(tǒng)一標準準》GB50068規(guī)定，“當當結構發(fā)生生爆炸、撞擊擊、人為錯錯誤等偶然事件件時，結構構能保持必必須的整體體穩(wěn)定性，，不出現與與起因不相相稱的破壞壞后果，防防止出現結結構的連續(xù)續(xù)倒塌。””現行國家標標準《建筑結構可可靠度設計計統(tǒng)一標準準》GB50153規(guī)定，“允允許主要承承重結構因因出現設計計規(guī)定的偶偶然事件而而局部破壞壞，但其剩剩余部分具具有在一段段時間內不不發(fā)生連續(xù)續(xù)倒塌的可可靠度。””《混凝土結構構設計規(guī)范范》GB50010規(guī)定了混凝凝土結構防防連續(xù)倒塌塌設計原則則。現行行業(yè)標標準《高層建筑混混凝土結構構技術規(guī)程程》JGJ3規(guī)定，安全全等級為一一級的高層層建筑，應應滿足抗連連續(xù)倒塌概概念設計的的要求，安安全等級為為一級、有有特殊要求求的高層建建筑，可采采用拆除構構件法進行行抗連續(xù)倒倒塌設計。。《房屋建筑抗抗連續(xù)倒塌塌設計規(guī)程程》3結構抗連續(xù)續(xù)倒塌設計計方法概述述概念設計法法——以定性設計計為主，其其中有些定定性設計通通過定量設設計予以實實現拉結構件法——設置豎向、、水平通長長鋼筋，并并采取有效效的連接錨錨固措施，，將結構連連成一個整整體。拆除構件法法——最常用設計計方法，美美國有關標標準稱為AP法（AlternatePathMethod).首先從結構構模型中移移除按一定規(guī)則則選定的一根受力力構件，模模擬結構構構件瞬間失失效，然后后對剩余結結構在規(guī)定定的荷載作作用下進行行力學計算算，由剩余余結構構件件的內力和和變形，根根據規(guī)定的接受受準則，評定是否否導致其它它構件失效效。局部加強法法①概念設計法——以定性設計計為主，其其中有些定定性設計通通過定量設設計予以實實現總則：①概念設計法——以定性設計計為主，其其中有些定定性設計通通過定量設設計予以實實現鋼筋混凝土土框架結構構鋼框架結構構①概念設計法——以定性設計計為主，其其中有些定定性設計通通過定量設設計予以實實現大跨空間鋼結結構對于多高層結構構，目前常通通過拉結力設計、拆除構件法法或采用良好構構造措施等方法實現現結構抗連連續(xù)性倒塌塌。②拉結力設計法法主要是通過過構造措施施提高結構構內部及周周邊的拉結結力，依靠靠局部構件件失效后結結構的懸鏈線效應應維持結構的的基本承載載能力，滿足最低的的抗拉強度度要求達到抗連續(xù)續(xù)性倒塌的的目的。懸鏈線機制制和梁機制制為了使豎向向構件的失失效對結構構響應產生生較大的影影響，豎向向構件的失失效必須是是瞬時的。。ＧＳＡ規(guī)規(guī)范建議在在動力分析析時，豎向向構件失效效的時間不不應大于結結構豎向振振動周期的的１／１００。同時，，豎向構件件的失效不不能影響同同一樓面與與之相連的的節(jié)點或水水平構件的的連接。研究范圍：：列車運行速速度v≤250km/h結構柱外緣緣與軌道中中心線距離離y≤3m技術路線示意圖圖4兩個案例1.我國高鐵站站房特點大型、特大大型站房基基本都有高高架候車室室站房。高架候車室室站房結構構特點:大跨度框架架結構（局局部大跨度度框架結構構）梁：預應力力混凝土梁梁、鋼桁架架、鋼骨混混凝土梁柱：鋼管（（骨）混凝凝土柱或鋼鋼筋混凝土土柱板：鋼筋混混凝土樓板板或預應力力鋼筋混凝凝土板雨棚結構特特點結構形式主主要為張弦弦結構、桁桁架結構，，實腹梁結結構等。通常平面張張弦梁結構構，剛度相相對較差，，冗余度低低，抗倒塌塌能力較薄薄弱，因此此，選擇張弦梁結構構作為研究究類型。2.歐洲規(guī)范規(guī)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）適用范圍圍：對A類結構（人人員密度大大的結構）），列車的的運行速度度≤120km/h。（2）結構最外外邊緣與軌軌道中心線線的最近距距離d>5m時，不考慮慮列車脫軌軌撞擊的影影響。（3）按結構與與軌道中心心線的距離離進行危險險分區(qū)。（4）對第一危危險分區(qū)，，兩本規(guī)范范所采納策策略不同。（5）撞擊荷載載等效靜力力設計值不同。荷載研究列車脫軌姿態(tài)研研究——目的確定危危險分區(qū)，，確定兩個個方向的撞撞擊速度小結：（1）按目前站站房的實際際情況，本本報告僅研研究y≤3m，正線兩側側結構所承承受的撞擊擊力。（2）列車的橫橫向脫軌速速度分量vy始終較小，，脫軌列車車的運行速速度主要以以順軌道方方向的縱向向脫軌速度度vx為主。（3）列車與結結構柱的碰碰撞分為正正碰、側碰碰。注：y為垂直軌道道方向位移移,vx為沿軌道方方向撞擊速速度（縱向向），vy為垂直軌道道方向撞擊擊速度（橫橫向），ve為運行速度度（或者初初始脫軌速速度）。脫軌列車撞擊結結構柱狀態(tài)態(tài)示意圖(a)正碰(b)側碰撞擊荷載——根據速度Vx，Vy、撞擊角度度確定撞擊擊荷載大小小撞擊力峰值值：沿軌道方向向Fx=40MN，垂直軌道道方向Fy=4MN1實驗研究（1）站房結構構柱抗撞擊擊性能試驗驗研究沖擊試驗在在太原理工大大學應用力力學研究所所的DHR9401落錘式沖擊擊試驗機上上進行。DHR9401落錘式沖擊擊試驗機最最高達到13.47m，有效落距距12.6m，相應沖擊擊速度可高高達15.7m/s。落錘質量量可在2~250kg。局部破壞試驗結構柱柱類型：鋼筋混凝凝土柱、鋼鋼管加固鋼鋼筋混凝土土柱、復合合柱114114試件端板A—A圖4.7鋼管加固鋼鋼筋混凝土土柱、復合合柱截面示示意圖114試件端板A—A114小結：（1）鋼筋混凝凝土柱抗沖沖擊能力較較差。（2）相同含鋼鋼率下，復復合柱對改改善結構抗抗沖擊性能能作用不大大。（3）鋼管混凝凝土柱抗沖沖擊性能良良好，增大大鋼管外壁壁厚度對于于抗沖擊性性能有很大大的提高。。（4）實驗表明明：鋼管混混凝土柱的的抗沖擊性性能是鋼筋筋混凝土柱柱的2倍，鋼骨混混凝土柱的的抗沖擊性性能是鋼筋筋混凝土柱柱的1.5倍。混凝土本構關系參參數驗證試試驗通過對比撞撞擊試驗和和數值計算算結果，對對低速碰撞撞條件下混混凝土力學學性能進進行評估估，以校核核數值計算算模型中混混凝土材料料的參數體體系。撞擊作用時程曲曲線對比有限元分析析目的：確定定正線列車車脫軌撞擊擊時結構柱柱的破壞根根數表4.3雨棚柱正撞撞拆除根數數雨棚柱直徑（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主站房軌道道層結構柱柱拆除根數數整體破壞——基于拆除構構件法1.雨棚整體性性分析(a)濟南西雨棚棚(b)呼和浩特東東站雨棚雨棚分析模型型小結：（1）拆除兩根根柱時，雨雨棚結構不不會發(fā)生連連續(xù)倒塌。。（2）邊柱失效效對雨棚抗抗連續(xù)倒塌塌性能影響響大于中柱柱。（3）平面張弦弦梁結構應應減小各榀榀張弦梁間間距，加強強平面外縱縱向聯系：：應提高屋屋面檁條的的拉結作用用，檁條與與上弦梁的的連接宜為為固結連接接方式。注：本結論論由平面張張弦梁結構構分析得到到，同樣適適用于平面面桁架結構構、平面實實腹梁結構構。研究思路研究現狀BritishStandardEurocode1&Eurocode2UFC4-023-03GSA2003DOD2010GB50010-2010結構概念設設計法局部抗力設設計法拉結力設計計法替代路徑法法（拆除構構件法）結構抗震與與抗連續(xù)倒倒塌拆除構件法法基于能量的的抗連續(xù)倒倒塌分析結構魯棒性性《基于節(jié)點重重要性系數數的聯方型型柱面網殼殼結構抗連連續(xù)倒塌研研究》研究思路重要性系數數構件重要性性系數節(jié)點重要性性系數研究思路分析方法線彈性分析析方法特征值屈曲曲分析屈曲荷載（（臨界荷載載）非線性分析析方法Newton-Raphson極限荷載非線性分析析方法非線性分析析方法幾何非線性性材料非線性性邊界非線性性Newton-Raphson弧長法研究內容工程概況結構優(yōu)化特征值屈曲曲分析非線性分析析增強結構抗抗連續(xù)倒塌塌的方法工程概況其中拱形屋屋面為聯方方型單層柱柱面網殼，，跨度114m，矢高35.9m，長度365.5m，含懸挑長長度為398m。雙向變截截面梁拱型型結構。結構優(yōu)化雙向變截面面梁+虛面雙向變截面面梁等截面梁優(yōu)化中間拱拱構件特征值屈曲曲分析（構構件重要性性系數）特征值屈曲曲分析結構構變形圖選取拆除構構件1~9號構件重要要性系數柱柱狀圖1~9號構件重要要性系數特征值屈曲曲分析（節(jié)節(jié)點重要性性系數）特征值屈曲曲分析結構構變形圖選取拆除構構件1~3組節(jié)點重要要性系數柱柱狀圖1~3組節(jié)點重要要性系數特征值屈曲曲分析（小小結）本章先依次次拆除構件件1號~9號，通過計計算構件重重要性系數數，發(fā)現構構件變形大大小與之并并無相關性性。例如構構件1在屈曲分析析中變形是是最大的，，而構件1重要性系數數反而為負負值。因此本章提提出節(jié)點重重要性系數數的辦法，，依次拆除除圖3-18中三組節(jié)點點及其周圍圍的構件。。再計算節(jié)節(jié)點重要性性系數，發(fā)發(fā)現節(jié)點重重要性系數數的大小與與特征值屈屈曲分析中中節(jié)點及其其周圍的構構件變形量量大小是對對應關系。。由于特征值值屈曲分析析只是線彈彈性階段的的計算分析析，且特征征值屈曲分分析并沒有有考慮外荷荷載的情況況，無法反反映荷載分分布對結構構破壞發(fā)展展的影響，，因此還需需要通過非線線性分析進一一步討論論。非線性分分析（構構件重要要性系數數）結構變形形圖vonMises應力圖拆除構件件位置1~4組構件重重要性系系數1~4組構件重重要性系系數柱狀狀圖非線性分分析（節(jié)節(jié)