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1、 西安建筑科技大学硕士学位论文钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌分析方法研究专业：结构工程硕 士 生：童少轩指导老师：史庆轩教授摘要1968 年英国的“Ronan Point”事件揭开了学者对结构抗连续倒塌问题研究的序幕，在这之后的 40余年里，以美国的 GSA规范与 DOD规范为代表的抗连续倒塌规范不断完善，并得到广泛应用。我国在此方面的研究起步较晚，但随着结构抗连续倒塌的重要性越来越受到关注，我国学者也已开展了大量的研究。然而在我国现行规范里，关于结构抗连续倒塌设计方面，仅给出了设计原则，并没有给出具体的设计方法与设计流程，因此，对结构的抗连续倒塌进行深入研究不仅有较强的学术价值而且对于完善我国
2、规范也有着重要的意义。本文的主要研究内容如下：介绍了结构连续倒塌的定义，阐述了国内外著名的连续倒塌事件，总结国内外学者的研究现状。对目前国际上主流的抗连续倒塌规范进行详细介绍，并重点对美国的两本抗连续倒塌设计规范（GSA规范与 DOD规范）就其设计方法、破坏准则、荷载参数等方面进行对比，总结其相似与不同点。参考美国 GSA规范对一栋满足我国现行规范要求的 8 层钢筋混凝土框架结构，分别采用线性静力法、线性动力法、非线性静力法以及非线性动力法对其进行抗连续倒塌分析，给出了详细的分析步骤，对比不同方法的优缺点；对比构件不同失效时间对结构产生的动力响应，不同的偶然作用对应着不同构件失效时间，动力放大
3、系数随着不同的构件时效时间变化而变化；采用线性动力法，分别对本文模型 1、4、7 层角柱、短边中柱、长边中柱以及内柱进行连续倒塌分析，对比结果，找出对结构抗连续倒塌性能影响最大的构件，并分析其原因。最后总结防止结构发生连续倒塌的措施。关键词：钢筋混凝土框架结构；连续倒塌；拆除构件法；构件失效时间 西安建筑科技大学硕士学位论文Research Into Reinforce Concrete Frame Structure ProgressiveCollapse Analyze MethodsSpecialty： Structural EngineeringName：Tong ShaoxuanIn
4、structor：Prof. Shi QingxuanAbstractThe “Ronan Point” events happened in 1968 initiated the research of progressivecollapse,in the following 40 years,as the GSA code and DOD code for the representativeof progressive collapse standard constantly perfect,and widely used.The studies ofprogressive collap
5、se in China started later,but with the importance of progressivecollapse is more and more regarded,scholars in China has also carried out a lot ofresearches.However,in the current code of China,with respect to the structure ofprogressive collapse design,given only design principles,but has not given
6、 detail designmethod and design flow,therefore,the research of progressive collapse for further studynot only has high academic value but also has important significance to complete theChina code.The main researches of the contents are as follows: Introduced the structure ofprogressive collapse defi
7、nition, and expound the famous progressive collapse events athome and abroad,summarizes the current research status of domestic and foreignscholars. Expound the international standard of the mainstream of progressive collapse,contrast the two American codes for progressive collapse (The GSA and DOD
8、Code) ofthe design method,failure criteria,loading parameters and so on,compared to sum up thesimilarity and differences. Set up a 8 layers model of reinforced concrete framestructure to meet the requirements of the China code,consults the GSA standard staticmethod were used to linear,linear dynamic
9、 method,the nonlinear static method andnonlinear dynamic method for the analysis of progressive collapse,and gives thedetailed steps of analysis, comparative advantages and disadvantages of differentmethods. Compared to different component failure time to produce the dynamicresponse of the structure
10、,different accidental corresponds to different role component 西安建筑科技大学硕士学位论文failure time, dynamic amplification coefficient with the different component agingfailure time changes. Using linear dynamic method to analyze the model in this paper ofthe 1st, 4th and 7th floor corner column, the short sid
11、e column, long side column andthe interior column of the model in this paper for progressive collapse analysis,comparison, find out the structural resistance to impact on performance of the largestprogressive collapse component, and analyzes the reasons. Summarize the measures toprevent progressive
12、collapse happened in the structure.Keywords: Reinforced concrete;frame structure;Progressive collapse;Alternate pathmethod;Component failure time 西安建筑科技大学硕士学位论文目录1 绪论 . 11.1研究背景及意义 . 11.2连续倒塌的定义 . 11.3连续倒塌事件 . 21.3.1国外连续倒塌事件 . 21.3.2国内连续倒塌事件 . 51.4研究现状 . 61.4.1国外研究现状 . 61.4.2国内研究现状 . 81.5 本文研究内容 . 1
13、02结构抗连续倒塌规范与设计方法 . 122.1概述 . 122.2国外主要规范中抗连续倒塌的规定 . 122.2.1英国规范 . 122.2.2欧洲 Eurocode 1. 132.2.3美国公共事务管理局 GSA规范43. 132.2.4 美国国防部 DOD规范. 172.2.5 美国 ASCE规范 . 202.3我国现行规范 . 212.3.1混凝土结构防连续倒塌设计的原则 . 212.3.2重要结构的防连续倒塌设计方法 . 212.4主要设计分析方法总结 . 222.4.1概念设计 . 222.4.2拉结强度法 . 232.4.3拆除构件法 . 232.4.4关键构件法 . 242.5
14、动力分析的三种方法 . 242.6本章小结 . 273钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌拆除构件法对比分析 . 283.1概述 . 28I 西安建筑科技大学硕士学位论文3.2框架结构有限元模型的建立.283.2.1 SAP2000简介.283.2.2塑性铰模型.283.2.3 框架结构设计参数.293.2.4建立模型.303.3框架结构拆除构件法对比分析.313.3.1 分析工况和破坏准则.313.3.2线性静力分析.313.3.3线性动力分析.333.3.4非线性静力分析.353.3.5非线性动力分析.373.3.6 各种方法对比分析：.383.4构件失效所引起的动力响应.393.5本章小结.44
15、4 不同位置柱失效对结构的影响对比.464.1 概述.464.2 首层不同位置柱失效.464.2.1角柱失效工况.464.2.2首层短边中柱失效工况.474.2.3首层内柱失效工况.474.3 四层柱失效工况.494.3.1 四层角柱失效工况.494.3.2四层短边中柱失效工况.494.3.3四层长边中柱失效工况.504.3.4四层内柱失效工况.514.4 七层柱失效工况.524.4.1 七层角柱失效工况.524.4.2七层短边中柱失效工况.534.4.3七层长边中柱失效工况.544.4.4七层内柱失效工况.554.5本章小结.57II 西安建筑科技大学硕士学位论文5 防止结构连续倒塌的措施与
16、方法 . 585.1控制偶然事件 . 585.2消除引起结构发生局部破坏的诱因 . 585.3防止结构发生连续倒塌的方法 . 59第 6章结论与展望 . 616.1结论 . 616.2展望 . 61参考文献 . 63致 谢 . 67附 录 . 69III 西安建筑科技大学硕士学位论文1绪论1.1研究背景及意义保证结构的安全是结构设计最基本的任务，而防止结构发生倒塌是结构能够安全使用的重要保障。无论什么样的结构形式，国内外已经发生了多起重大的倒塌事故，不仅造成了重大的经济损失，而且还带来严重的人员伤亡，同时还产生恶劣的社会影响。对于结构的常规设计，都是基于正常荷载作用下对结构进行安全性的设计，而
17、忽略了偶然荷载的作用，当偶然荷载作用下，结构往往会发生连续倒塌。近年来，地震、海啸等自然灾害时有发生，而人为的恐怖袭击也频频出现，由于偶然事件的发生几率不断增大，结构发生连续倒塌的可能性就越来越高。结构的抗连续倒塌性能面临考验。虽然常规荷载作用下结构设计已经成熟，但对于抗连续倒塌的认识还非常有限，开展结构的抗连续倒塌问题的研究工作，具有十分重要的意义。自 1968年英国公寓“Ronan Point1”因一间厨房发生煤气爆炸而引发整栋公寓发生连续倒塌破坏以来，结构的抗连续倒塌问题就备受重视，随之便展开了对结构抗连续倒塌性能及其设计方法的研究工作。在国内外学者对结构的抗连续倒塌问题研究的这四十余年
18、里，先后经历了多起重大连续倒塌事故，如：1995 年 4月 Alfed P Murrah2联邦办公楼倒塌、2001年 9月世贸大厦双塔倒塌3等，研究发展也趋于成熟。而随着我国经济的高速发展，建设项目的日益增多，对一些地位重要、安全等级要求高的重要建筑，除了应对其进行强度、刚度和稳定性的设计外，还应进行结构的抗连续倒塌设计。然而在我国，结构的抗连续倒塌设计方面起步较晚，在现行的结构设计规范和标准中，混凝土结构规范43.6 条仅给出了结构抗连续倒塌设计原则而并没有给出具体的设计方法、流程及相关参数（荷载组合，破坏准则等）。因此，深入研究结构的抗连续倒塌问题，对于完善我国规范有着重要的研究意义。1.
19、2连续倒塌的定义ASCE7-055（美国土木工程协会）将连续倒塌定义为：“由最初的局部破坏在构件之间所引发的渐进式蔓延扩展而最终导致整个结构发生不相称的大范围倒塌”。美国公共事务管理局（the General Service Administration,简称 GSA）6 给出的定义与之类似，描述连续倒塌为“和初始事件不成比例的破坏”。1 西安建筑科技大学硕士学位论文英国设计规范7定义：“在偶然事件发生后，结构由于局部破坏而导致相邻构件失效，这种失效因发生连锁反应而持续下去，最后导致整个结构的倒塌或造成与引起初始破坏的原因不成比例的倒塌”。从上述各国规范对结构连续倒塌的定义可以看出，判断结构是
20、否发生了连续倒塌的条件为：结构是否因为局部构件的破坏而发生渐进式的连锁反应以及结构的最终破坏与初始破坏是否不成比例”。而这里的“不成比例”是指最终破坏与初始破坏的不成比例还是最终破坏与引起初始破坏的原因不成比例还存在争议，且目前尚无定论8。另外，美国国防部于 2009年 7月 14日发布了 UFC4-023-03规范的修订版本DOD20099。此修订版中对倒塌的允许范围修订为“当某一竖向承重构件失效后，不允许剩余结构的任何构件发生失效破坏”。造成连续倒塌的原因包括设计与施工中的人为失误，以及在设计考虑范畴外的偶然荷载作用，如煤气爆炸、火灾、车辆撞击、炸弹袭击等。虽然结构发生连续倒塌的概率很小，
21、但连续倒塌一旦发生，一般都会造成极其严重的后果，和恶劣的社会影响。因此，结构的抗连续倒塌问题受到越来越多的重视。1.3连续倒塌事件1.3.1国外连续倒塌事件（1）英国公寓“Ronan Point”连续倒塌事件1968年 5月 16日位于英国纽罕姆的 23层公寓“Ronan Point”发生了连续倒塌事件。在该公寓内 18层的一名住户因划火柴而引发了煤气爆炸致使一道靠近该建筑拐角的预制混凝土承重墙发生破坏，并从原位消失。这个竖向承重构件的失效导致该部位的楼盖和墙沿着该建筑整个高度发生连续倒塌，如图 1.1 所示。“Ronan Point”公寓的连续倒塌事件对于工程界特别具有启发性，并直接导致了英
22、国规范做出了重大的改动。在随后的调查中发现爆炸引起的荷载并不是很大，而且爆炸所影响的范围也很有限（仅 18 层角部的一个单元），但其结果却是：该建筑的角部从上至下发生了连续倒塌，倒塌的部分占整个结构体系的 20%左右。2 西安建筑科技大学硕士学位论文图 1.1 Ronan Point公寓连续倒塌（2）美国俄克拉荷马州 Alfred P. Murrah联邦大楼倒塌事件另一起重大的连续倒塌事件发生在美国俄克拉荷马州的 Alfred P. Murrah联邦大楼，在这个 9 层建筑里将近 50%的可使用楼面发生倒塌。主要的结构破坏集中在该建筑物面临爆炸的北侧。该联邦大楼建于 1974-1976年，其主
23、要的结构体系由按 ACI318-71规范设计的普通钢筋混凝土抗弯框架组成，尽管细部做了优化设计，但这栋建筑未被要求按抗震、防爆和预防其他任何极罕遇荷载进行设计。该结构问题的另外一个主要方面就是第三层楼层的转换大梁，其支撑着上部的中间柱并给底层提供了 40英尺（12.2米）宽的柱间距。由于炸弹的规模达到 4000 磅（1814 千克）TNT 当量，再加上爆炸位置与大楼非常近，则不可避免的引起了大范围的破坏。如图 1.2所示。（a）爆炸前（b）爆炸后图 1.2美国俄克拉荷马州联邦大楼（3）美国“911”事件10美国世界贸易中心大厦为超高层框架筒钢结构建筑，主楼呈双塔形，地下 63 西安建筑科技大学
24、硕士学位论文层，地上 110层，外筒承担水平荷载，内筒承担竖向荷载，外筒由深梁密柱构成。楼面结构采用格架式梁由主梁构成，楼板为压型钢板组合楼板，整栋建筑用钢量78000t。自 1973 年竣工以来，世贸中心一直被认为是同时期文明社会的象征，其结构体系被认为是结构合理性被发挥到一个极致的范例。美国东部时间 2001年 9月 11日上午（北京时间 9月 11日晚）发生了恐怖分子劫持的 4 架民航客机撞击美国纽约世界贸易中心和华盛顿五角大楼事件。包括美国纽约地标性建筑世界贸易中心双塔在内的 6座建筑被完全摧毁，其它 23座高层建筑遭到破坏，美国国防部总部所在地五角大楼也遭到袭击。事件发生后，各国专家
25、对结构倒塌的原因众说纷纭，但不可否认的是，飞机撞击后产生的巨大的冲击破坏和大火燃烧所引起的高温导致了局部楼层的塌落，塌落时的冲击荷载一层层的向下传递并引起整体结构的偏心受荷是最终导致大楼轰然倒塌的重要原因11。整栋建筑倒塌是层层下坠，形成了一个类似 “多米诺骨牌”式的效应，是典型的连续倒塌。如图 1.4所示。此次事件不仅直接造成了巨额经济损失和 3000多人的死亡，还严重打击了美国的经济，同时对世界的经济和安全也造成了极其恶劣的影响。此次事件发生以以后，美国和日本等国先后开展了结构抗连续倒塌性能的广泛讨论与研究热潮12。世贸大厦的两栋建筑在受到撞击后依然持续站立 1 小时，这说明这两栋建筑具有较强的抗连续倒塌能力。但最终由于长时间的高温燃烧，结构以自由降落的方式倒塌，又值得研究其连续倒塌的机理。图 1.4 被恐怖袭击的世贸大
