资源描述
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极端荷载下结构倒塌事故概况2.抗倒塌的规范情况抗倒塌的规范情况3.代表性的研究成果介绍代表性的研究成果介绍4.几点思考几点思考主要内容主要内容极端荷载极端荷载l爆炸（炸弹爆炸、爆破拆除、油气等化工爆炸、核电站爆炸）l地震l火灾l人为失误l碰撞l飓风l大雪l。l特点：偶然性，多数属于动力荷载，可能造成灾难性后果。爆炸爆炸煤气爆炸煤气爆炸 1968年5月16日，英国伦敦22层、64m高的Ronan Point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l1995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。lMurrah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。l汽车炸弹炸毁了结构的底层柱并击穿了楼板与转换大梁。l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。爆炸爆炸恐怖袭击恐怖袭击 爆炸爆炸恐怖袭击恐怖袭击911中的纽约世贸大厦l1962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。l1993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。l2001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。爆破拆除爆破拆除l 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。l2001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。爆破拆除爆破拆除l 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。石油平台油气爆炸石油平台油气爆炸lPiper Alpha平台位于英国北海中部，是8桩腿的钻进/生产平台。l1988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。l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。l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。l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炸石油平台油气爆炸l平台名称：深水地平线。长112m，宽78m，高97.4m，吃水23m。l位于美国新奥尔良东南130英里处。作业者：BPl造价3.5亿美元，日费50万美元。人员：126人l事故经过：2010年4月20日，该近海钻井平台发生爆炸，平台燃烧36小时后，造成11人失踪，115人获救（17人受伤）。石油平台油气爆炸石油平台油气爆炸深水地平线事故后果：l给BP公司带来巨大经济损失：事故发生两周内BP股票下挫17%，市值蒸发近320亿美元。BP面临数十亿美元的赔偿，2009年该公司利润为166亿美元。生态带来灾难：生态平衡被破坏。l海洋平台倒塌的最终原因往往是长时间燃烧，但爆炸往往是灾难的起点，加剧损失。全球核电站分布全球核电站分布当前世界上已有450多座核反应堆电站并网发电，核电总装机容量已达3.5亿kw以上，约占世界发电总量的17%。l1986年4月26日，前苏联切尔诺贝利核电站发生世界上最严重的核事故。INES等级达到7级的核事故。l辐射云覆盖欧洲东部、西部和北部大部分地区，有超过33.5万人被迫撤离疏散区。此次核事故的直接死亡人数为53人，另有数千人因受到辐射患上各种慢性病。核电站事故核电站事故-爆炸爆炸l福岛第一核电站位于东京东北部170英里，是世界上规模最大的核电站之一。2011年3月11日，日本发生9级大地震，引起的断电导致反应堆冷却剂泵停止工作。存放在地势较低地区的备用柴油发电机也在地震引发的海啸中严重受损。lINES等级达到7级的核事故。核电站事故核电站事故-爆炸爆炸中国百年大地震一览图中国百年大地震一览图地震：地震：新中国成立以来新中国成立以来发生发生6.5级以上的强震级以上的强震55次次汶川地震连续性倒塌实例汶川地震连续性倒塌实例校舍连续性倒塌都江堰聚源中学教学楼倒塌后结构组成形式右一：预制板与进深梁无拉结；右二：进深梁下无构造柱。汶川地震连续性倒塌实例汶川地震连续性倒塌实例l小震不坏、中震可修、大震不倒。设防大震比设防中震高一度。l地震具有高度不确定性，很多6、7度地震区发生了超过规范设定“大震”等级的地震，可称为“巨震”。例如汶川震中达11度。l当结构遇到高于设防大烈度时怎样设计？l小 震 不 坏、中 震 可 修、大 震 不 倒、巨 震 避 难 单 元 不 倒巨震的抗倒塌设计巨震的抗倒塌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668 2007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通过上述事故案例分析得：通过上述事故案例分析得：l结构体系的复杂性在日益增加。结构体系的复杂性在日益增加。l结构倒塌及次生灾害是造成人员伤亡的结构倒塌及次生灾害是造成人员伤亡的真正真正“元凶元凶”。重大工程破坏、倒塌的。重大工程破坏、倒塌的社会综合影响日益严重。社会综合影响日益严重。l自然灾害、人为失误以及设备老化都是自然灾害、人为失误以及设备老化都是无法回避的现实。无法回避的现实。l当前面临的问题并不是未来是否会发生当前面临的问题并不是未来是否会发生另一场重大事故，而是另一场重大事故，而是“何时何时”发生。发生。l极端荷载下结构的破坏、倒塌、防护问极端荷载下结构的破坏、倒塌、防护问题会成为将来一个重要的社会关注和研题会成为将来一个重要的社会关注和研究热点。究热点。倒塌事故小结倒塌事故小结l定定义义：建建筑筑结结构构的的连连续续性性倒倒塌塌(Progressive Collapse)是是指指结结构构部部分分构构件件或或局局部部发发生生破破坏坏后后其其周周围围构构件件相相继继发发生生破破坏坏甚甚至至导导致致整个结构完全倒塌的现象。整个结构完全倒塌的现象。l特特点点：破破坏坏具具有有“连连续续性性”与与“不不成成比比例例性性”，即即随随后后的的破破坏坏紧紧 随随 最最 初初 的的 破破 坏坏，且且 最最 终终 破破 坏坏 的的 范范 围围 远远 大大 于于 初初 始始 破破 坏坏Ellingwood.B,1978。l连连续续性性倒倒塌塌破破坏坏往往往往由由非非常常规规荷荷载载作作用用引引起起，非非常常规规荷荷载载包包括括炸弹爆炸、汽车撞击、地震、海啸等作用。炸弹爆炸、汽车撞击、地震、海啸等作用。连续性倒塌的定义连续性倒塌的定义1.极端荷载下结构倒塌的事故概况极端荷载下结构倒塌的事故概况2.抗倒塌的规范情况抗倒塌的规范情况3.代表性的研究成果介绍代表性的研究成果介绍4.几点思考几点思考主要内容主要内容国外抗连续倒塌设计规范现状国外抗连续倒塌设计规范现状英国：英国：Building Regulation,BSl00混凝土规范混凝土规范加拿大：加拿大：National Building Code for Canada欧洲：欧洲：Eurocode 1美国：美国：联邦政府办公楼以及大型现代建筑连续倒塌分析和设计指南联邦政府办公楼以及大型现代建筑连续倒塌分析和设计指南(GSA 2003),建筑抗连续倒塌设计建筑抗连续倒塌设计(DoD 2005/2009)日本：日本：倒塌控制设计指南倒塌控制设计指南中国：？中国：？各国规范编制时间表各国规范编制时间表 英英国国是是最最早早对对建建筑筑结结构构进进行行抗抗连连续续倒倒塌塌设设计计的的国国家家。1968年年Ronan Point公公寓寓倒倒塌塌事事件件发发生生后后，英英国国政政府府制制定定了了相相应应的的规规范。范。1976年年在在Building Regulation中中规规定定：结结构构在在偶偶然然荷荷载载下下不不应应发发生生与与初初始始破破坏坏不不相相称称的的大大面面积积坍坍塌塌，并并提提出出了了拉拉结结强强度度设设计计，构件的跨越能力设计以及关键构件设计三种设计方法。构件的跨越能力设计以及关键构件设计三种设计方法。BSl00混混凝凝土土规规范范中中规规定定：结结构构不不应应存存在在明明显显薄薄弱弱层层，且且每每个个楼楼层层应应能能承承受受该该楼楼层层自自重重1.5的的水水平平荷荷载载，以以保保证证结结构构在在意意外外荷载下的稳定性。荷载下的稳定性。英英国国将将抗抗连连续续倒倒塌塌设设计计方方法法纳纳入入规规范范已已有有近近40年年的的历历史史，实实践践证证明明这这些些方方法法有有一一定定的的成成效效。多多年年来来英英国国规规范范对对世世界界其其它它各各国国的的抗连续倒塌规范都产生了很大的影响。抗连续倒塌规范都产生了很大的影响。在在Ronan Point公公寓寓倒倒塌塌事事件件发发生生后后，加加拿拿大大也也是是做做出反应较早的国家。出反应较早的国家。其其现现行行建建筑筑规规范范(NBCC)强强调调结结构构关关键键构构件件和和关关键键节节点点的的设计，指出设计中应提供多传力路径（增大冗余度）设计，指出设计中应提供多传力路径（增大冗余度）。应应保保证证结结构构的的完完整整性性，并并建建议议设设计计中中应应考考虑虑所所有有发发生生概概率率在在0.01以以上上的的极极限限荷荷载载，以以防防止止突突发发条条件件下下结结构构连连续倒塌的发生。续倒塌的发生。Eurocode 1 规定结构必须具有足够的强度以抵御可预规定结构必须具有足够的强度以抵御可预测及不可预测的意外荷载。该规范采用了与英国规范类似测及不可预测的意外荷载。该规范采用了与英国规范类似地设计方法：地设计方法：l拉结强度法；拉结强度法；l拆除构件法；拆除构件法；l关键构件法。关键构件法。该规范更注重提高结构的整体性、延性和冗余度来提高该规范更注重提高结构的整体性、延性和冗余度来提高结构抗连续倒塌的能力。规范中明确了结构的两个设计层结构抗连续倒塌的能力。规范中明确了结构的两个设计层次：次：l基于具体的意外事件；基于具体的意外事件；l独立于意外事件，其设计目的在于控制意外事件造成的独立于意外事件，其设计目的在于控制意外事件造成的局部破坏。局部破坏。美美国国是是受受恐恐怖怖袭袭击击较较严严重重的的国国家家，近近年年来来很很多多机机构构和和部部门门都都对对结结构构抗抗连连续续倒倒塌塌的的设设计计规规范范作作出出了了规规定定。美美国国混混凝凝土土协协会会ACI规定了一系列提高结构延性和完整性的措施。规定了一系列提高结构延性和完整性的措施。美美国国公公共共事事业业管管理理局局(GSA)2003年年制制定定了了判判断断建建筑筑物物是是否否可可以以免免于于进进行行抗抗连连续续倒倒塌塌分分析析的的流流程程，考考虑虑了了建建筑筑物物的的用用途途、安安全全等等级级、使使用用年年限限以以及及材材料料、结结构构形形式式等等因因素素。另另外外，该该指指南南还还建建议议了了一一些些设设计计概概念念，以以提提高高新新建建建建筑筑的的抗抗连连续续倒倒塌塌能能力力，包包括括提提高结构冗余度、延性、连续性以及考虑反向荷载作用等。高结构冗余度、延性、连续性以及考虑反向荷载作用等。美美国国国国防防部部(DoD)2005/2009年年制制定定的的规规范范中中指指出出，国国防防设设施施应应具具有有抵抵抗抗不不可可预预测测事事件件造造成成的的结结构构连连续续倒倒塌塌风风险险的的能能力力。该该规规范范将将建建筑筑抗抗连连续续倒倒塌塌设设计计分分为为两两级级：对对于于低低安安全全等等级级的的结结构构应应保保障障其其水水平平和和竖竖向向拉拉结结强强度度；对对于于高高等等级级的的建建筑筑除除保保障障其其水水平平、竖竖向向拉拉结结强强度度外外，还还需需满满足足ASCE-7介介绍绍的的多多路路径径传传递递法法的的要要求求，以及结构延性和完整性的要求。以及结构延性和完整性的要求。2001年年美美国国世世贸贸大大楼楼倒倒塌塌后后，通通过过考考察察局局部部构构件件失失效效和和火火灾灾事事故故下下钢钢构构件件强强度度退退化化对对高高层层建建筑筑承承载载性性能能的的影影响响，研研究究了了冗冗余余度度对对抵抵抗抗结结构构连连续续性性倒倒塌塌破破坏坏的的作作用用和和高高性性能能耐耐火火钢钢的的开开发发应应用用前前景景，并并提提出出了了简简单单的的高高层层建建筑筑抗抗倒倒塌塌设设计计验验算算方方法法；另另外外，对对大大跨跨空空间间结结构构的的敏敏感感性性分分析析也也作作了了一一定的研究工作。定的研究工作。作作为为这这项项研研究究成成果果，日日本本钢钢结结构构协协会会和和美美国国高高层层建建筑筑与与城城市市生生态态环环境境委员会联合编制了委员会联合编制了倒塌控制设计指南倒塌控制设计指南，分设计卷和研究卷两卷，分设计卷和研究卷两卷。1 Japanese Society of Steel Construction&Council on Tall Buildings and Urban HabitatGuidelines for Collapse Control Design-Construction of Steel Buildings with High RedundancyS2004 我国规范还没有在抗连续性倒塌方面做出明确规定，我国规范还没有在抗连续性倒塌方面做出明确规定，只是在只是在GB50010混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范的第的第3.1.6条中规条中规定：定：结构应具有整体稳定性，结构的局部破坏不应导致大结构应具有整体稳定性，结构的局部破坏不应导致大范围的倒塌。范围的倒塌。规范只对结构抗连续倒塌进行了定性的说明，并没有具体规范只对结构抗连续倒塌进行了定性的说明，并没有具体的方法和要求，缺乏可操作性。的方法和要求，缺乏可操作性。规范比较规范比较 规范名称规范名称 对比内容对比内容GSA2003DoD2005DoD2009抗倒塌建筑抗倒塌建筑分类标准分类标准无无按防护水平划分为高、中、按防护水平划分为高、中、低很低四个级别低很低四个级别按容纳人数及使用功能划分为按容纳人数及使用功能划分为I、II、III、IV四个级别四个级别荷载组合荷载组合1.0D+0.25L1.2D+0.5L+0.2W1.2D+0.5L+LLat拆除构件的位置拆除构件的位置首层柱或墙首层柱或墙所有楼层柱或墙所有楼层柱或墙同同DoD2005分析方法分析方法（拆除构件法）（拆除构件法）静（动）力线性静（动）力线性静（动）力非线性静（动）力非线性静力线性静力线性静（动）力非线性静（动）力非线性同同DoD2005倒塌范围限制倒塌范围限制被拆除构件之上楼层的坍塌被拆除构件之上楼层的坍塌面积小于面积小于167平方米（平方米（334平方米）或与拆除的竖向构平方米）或与拆除的竖向构件相连跨度件相连跨度:取最小值取最小值被拆除构件之上楼层的坍塌被拆除构件之上楼层的坍塌面积小于面积小于70平方米（平方米（140平平方米）或该楼层总面积的方米）或该楼层总面积的15%(30%):取最小值取最小值不允许任何结构构件发生倒塌不允许任何结构构件发生倒塌破坏破坏RLIF2.02.00.9+1.1/CIF 钢框架钢框架1.2+0.8/CIF RC框架框架DIF（变形控制）（变形控制）2.02.01.08+0.76/(Qpra/Qy+0.83)钢框架钢框架1.04+0.45/(Qpra/Qy+0.48)RC框架框架DCR2.0规则结构规则结构1.5不规则结构不规则结构1.01.0最大允许塑性转角最大允许塑性转角(rads)(RC框架角框架角)0.1050.105（低级）（低级）0.0698（中高级）（中高级）与梁断面尺寸、纵筋配筋率、与梁断面尺寸、纵筋配筋率、配筋率等因素有关配筋率等因素有关注：注：DCR指需求能指需求能力比力比 CIF指抗力增大指抗力增大系数系数 RLIF指相对荷指相对荷载增大系数载增大系数 DIF指动力放大指动力放大系数系数 pra指框架梁指框架梁端的塑性转角端的塑性转角 y 指框架梁端指框架梁端的屈服转角的屈服转角1.极端荷载下结构倒塌的事故概况极端荷载下结构倒塌的事故概况2.抗倒塌的规范情况抗倒塌的规范情况3.代表性的研究成果介绍代表性的研究成果介绍4.几点思考几点思考主要内容主要内容代表性的研究成果介绍代表性的研究成果介绍1.爆破荷载下构件的试验及数值模拟。爆破荷载下构件的试验及数值模拟。代表性的研究成果介绍代表性的研究成果介绍2.按按照照GSA或或DoD规规范范，采采用用“去去柱柱”的的方方法法，对对现现有有结结构构的的抗倒塌性能评价。抗倒塌性能评价。代表性的研究成果介绍代表性的研究成果介绍3.结构倒塌的数值模拟（离散元方法）结构倒塌的数值模拟（离散元方法）代表性的研究成果介绍代表性的研究成果介绍4.提高抗倒塌能力的拉结法设计。提高抗倒塌能力的拉结法设计。代表性的研究成果介绍代表性的研究成果介绍5.提高抗倒塌能力的加固措施。提高抗倒塌能力的加固措施。当前成果的评价当前成果的评价l国国内内外外在在结结构构连连续续性性倒倒塌塌控控制制与与抗抗倒倒塌塌设设计计方方面面的的研研究究仍仍处处于于起起步步阶阶段段，而而当当前前的的结结构构安安全全形形势势已已使使学学者者们们意意识识到到该该课课题题研研究究的重要性和紧迫性。的重要性和紧迫性。l目目前前为为止止如如何何通通过过简简单单、可可靠靠的的方方法法评评估估结结构构抵抵抗抗连连续续性性倒倒塌塌的性能仍然没有得到有效解答。的性能仍然没有得到有效解答。l对对于于极极端端荷荷载载下下结结构构节节点点、构构件件、体体型型层层次次上上的的性性状状掌掌握握还还很很不足，缺乏有效的试验依据。不足，缺乏有效的试验依据。l当当前前的的研研究究热热点点在在于于如如何何采采用用数数值值方方法法对对倒倒塌塌现现象象进进行行模模拟拟。但但由由于于结结构构的的连连续续倒倒塌塌过过程程中中包包含含了了结结构构的的几几何何非非线线性性、材材料料非非线线性性、结结构构断断裂裂、接接触触和和碰碰撞撞、穿穿透透等等多多个个问问题题，当当前前能能够够处处理理这这些些问问题题的的数数值值方方法法屈屈指指可可数数，而而这这些些方方法法大大都都过过于于繁繁琐琐，计计算算效率也不高。效率也不高。1.极端荷载下结构倒塌的事故概况极端荷载下结构倒塌的事故概况2.抗倒塌的规范情况抗倒塌的规范情况3.代表性的研究成果介绍代表性的研究成果介绍4.几点思考几点思考主要内容主要内容几点思考几点思考l需需要要开开展展极极端端荷荷载载下下结结构构基基本本构构件件（梁梁、板板、节节点点）性性状状的的研研究究工作。工作。梁：悬链线作用梁：悬链线作用板：膜效应板：膜效应节点：动力荷载下，节点的耗能、延性。节点：动力荷载下，节点的耗能、延性。对于基本构件需要开展一些试验工作，以验证当前的计算成果。对于基本构件需要开展一些试验工作，以验证当前的计算成果。l需要建立一套结构连续性倒塌的计算评价方法。需要建立一套结构连续性倒塌的计算评价方法。节点、构件、体系的模拟方法节点、构件、体系的模拟方法各种抗倒塌机制的真实体现各种抗倒塌机制的真实体现对国外主流抗倒塌规范对国外主流抗倒塌规范GSA 和和DoD进行完善。进行完善。在我国的规范体系中体现抗倒塌的设计思想。在我国的规范体系中体现抗倒塌的设计思想。几点思考几点思考l结构抗倒塌的措施和加固方法。结构抗倒塌的措施和加固方法。完善拉结法完善拉结法具有抗爆、抗倒塌能力的新型结构体系。具有抗爆、抗倒塌能力的新型结构体系。各种复合材料的加固方法，例如粘贴钢板、各种复合材料的加固方法，例如粘贴钢板、FRP、节点加固等。、节点加固等。谢谢谢谢THANK YOU FOR YOUR ATTENTIONANY QUESTIONS?
展开阅读全文