混凝土结构防连续倒塌设计理论与方法

1968年Ronan Point公寓连续倒塌事件发生后，英国率先将避免连续倒塌的要求写入规范。1976年，进一步修改的英国建筑规范（Bui1ding Regu1ations）要求5层及5层以上的建筑在遭遇类似燃气爆炸的偶然荷载时，整个结构不得出现与初始破坏不成比例的破坏。Approved Document A （ODPM，2013）提供了三个增强结构整体稳固性的方式：①增强构件间的拉结强度，保证结构在发生局部破坏以后的整体性；②增加结构防连续倒塌的承载力储备，提升结构跨越初始损伤的能力；③增强结构中关键构件的抗力，避免因关键构件的破坏引起整体结构的连续倒塌。英国混凝土规范（BS 8110）中提出了五种方法增强结构的整体稳固性：①检查结构整体性，避免出现明显薄弱环节；②保证结构具有一定抵抗水平力的能力，每个楼层能抵抗1.5%楼层自重的水平荷载；③拉结强度法；④拆除构件法和关键构件法；⑤当结构竖向构件易受到撞击时，推荐设置防护措施[36]。BS 8110按照图3-1所示流程实施几种设计方法来保证结构的防连续倒塌性能。

图3-1　BS8110设计流程图(www.xing528.com)

欧洲荷载规范Eurocode 1规定结构应有足够的强度抵抗偶然荷载[37]，对连续倒塌的设计规定分为两类：一类是针对具体灾害的设计，目的是减轻意外灾害对结构的损害；另一类是独立于具体的灾害情况设计，目的是控制初始损伤对整体结构的影响。在针对具体灾害进行设计时，Eurocode 1建议了三种方法：①减小意外事件发生的概率，如保证建筑结构与道路之间有足够的距离等；②降低意外事件对结构的破坏程度，如设置护栏等；③增加结构强度，提升结构抵抗破坏的能力。由于灾害荷载具有极大的不确定性，即使经过了针对灾害的设计，结构仍可能不足以抵抗灾害发生时的实际荷载。因此Eurocode 1采用独立于具体的灾害情况设计使结构的整体稳固性得以提升，与英国规范相似，设计方法包括了拆除构件法、拉结强度法和关键构件法。在结构设计时，三种设计方法若同时运用会使设计过程耗时耗力，Eurocode 1通过对建筑物划分不同的安全等级，规定相应等级应采用的设计方法，使得防连续倒塌设计更加高效与合理。

美国混凝土协会发布的ACI 318—11[38]通过概念设计提高结构整体稳固性，具体要求包括钢筋的位置、锚固、连接等。美国土木工程学会的ASCE 7—10[39]要求结构应具有足够的延性、连续性和冗余性来保证结构的整体稳固性，它提供了两类设计方法：直接设计法和间接设计法。直接设计法包括了拆除构件法和局部抗力法；间接设计法则是通过合理布置结构、加强结构冗余程度、延性设计、考虑反向荷载、连续倒塌分区等措施提高整体稳固性。美国国防部发布的DoD 2010[40]在内容上比其他规范更加丰富，除了混凝土结构和钢结构的防连续倒塌设计以外，还包括了木结构、石结构的设计。DoD 2010采用的设计方法为拆除构件法和拉结强度法。美国总务管理局发布的GSA 2013[41]深化了拆除构件法的分析方法和详细流程，拆除构件法通过拆除结构的一个竖向承力构件，分析剩余结构的响应来评估结构的防连续倒塌能力；分析包括了线性静力、非线性静力、线性动力、非线性动力四种方法。GSA 2013规定线性分析只能应用于10层及以下的建筑，线性分析中采用需求能力比DCR判断结构是否满足防连续倒塌的要求，若不满足，则应对相应的节点或构件重新设计；对于10层以上及不规则的建筑，要求采用非线性分析，非线性分析中采用倒塌面积作为判断准则。另外，GSA 2013还规定在静力分析中应对竖向荷载乘以动力放大系数来考虑动力的不利影响。