钢框架结构抗连续性倒塌设计方法研究
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摘 要
建筑结构抗连续性倒塌能力的重要性已经引起了工程界的普遍重视，国外提
出了多种抗连续倒塌设计方法，形成了比较清晰的抗倒塌设计思想。常规结构设
计是针对完好结构进行的，抗连续倒塌设计如何与传统的结构设计方法相融合是
这个领域的难点。我国对结构防连续性倒塌的研究还没有形成相关可操作的方法，
国内对钢筋混凝土结构的研究比较普遍，随着我国钢结构建筑的广泛出现，研究
钢结构抗连续倒塌设计方法，对我国建筑结构防连续性倒塌理论的发展具有重要
的理论意义和实用价值。
引起结构连续倒塌的突发事件存在偶然性和低概率性，导致结构可能发生连
续倒塌的初始局部破坏无法预估和量化，只靠加强局部构件或节点连接不能有效
避免破坏发生，需要从提高结构整体的抗倒塌能力入手。本文基于这种思想，不
关注构件的失效方式和损伤程度，只关注失效构件去除后的结果，进行了以下几
方面的研究工作：
（1）以现有相关文献、规范为依据，介绍了结构防连续性倒塌领域已取得的
成果，基于定义阐述了连续倒塌的本质。对比了国外规范推荐的四种抗连续倒塌
设计方法，引进了建筑分类设计策略。详细介绍了规范重点推荐的拆除构件法。
（2）采用 SAP2000 大型结构分析软件对一榀平面钢框架结构依次进行线性静
力分析、非线性静力分析、线性动力分析、非线性动力分析，得到其在拆柱后的
结构响应，给出了四种分析方法的实现步骤和评估准则，对比了分析结果。
（3）分别拆除同一个空间钢框架结构不同位置和不同楼层的框架柱，采用线
性静力分析方法对其抗连续倒塌性能进行评估，判断按照我国抗震规范设计的钢
框架结构抗连续倒塌能力。
（4）对前面设计的空间钢框架结构采用不同的抗震设防烈度重新设计，研究
了抗震设防烈度的提高对结构抗连续倒塌能力的影响，探讨抗震设计与倒塌控制
设计之间的关系，给出钢结构抗倒塌设计的详细流程和相关措施。
关键词：钢框架结构 防连续性倒塌 拆除构件法 线性静力分析 抗震
设防烈度
ABSTRACT
The importance of capacity of anti-progressive collapse has caused widespread
attention to the engineering sector. A variety of design methods to resist progressive
collapse were proposed at abroad, and a clear idea of it was formed. Conventional
structure design was conducted for the intact structure. How to integrate the resistance
of progressive collapse with traditional design methods is the difficulty in this area. The
research on the anti-progressive collapse of the structure has not formed operational
methods in China. Domestic research focused on reinforced concrete structure, with the
widespread use of steel construction, steel structure design method to resist progressive
collapse has important theoretical and practical value for the development of
anti-progressive collapse of the building structure theory.
The incidents causing progressive collapse is occasional and low-probability, that
make initially localized resulting in progressive collapse unable to be predicted and
quantified. Therefore, it is not effective to prevent the failure from occurring by
strengthening the local component or node connection alone unless the ability to resist
collapse of the overall structure is improved. Based on this opinion, when removing
failed components, the response of the overall structure is concerned instead of the
failure mode and damage level of components in this paper. The following aspects of
the research work were conducted down:
(1) According to existing literatures and corresponding codes, this paper
introduced the achievements in the field of anti-progressive collapse, and the collapse
mechanism is elaborated based on its definition. By comparison of four design method
of anti-progressive collapse that is recommended in foreign specifications, the
classification for structure design is introduced. The removal component method is
specifically addressed, which is highly recommended in codes.
(2) To gain the response of a plane steel frame when columns are removed, linear
static analysis, nonlinear static analysis, linear dynamic analysis and nonlinear dynamic
analysis are conducted in turn by using structure analysis software, SAP2000, of which
implementation steps and assessment criteria are given, as well as the comparison of the
results.
(3) After demolishing the columns of a 3-D steel frame structure at different
locations and on different floors in turn, its performance of anti-progressive collapse is
assessed by linear static analysis. Thus the capacity of anti-progressive collapse of the
steel frame structure which is designed by seismic codes can be judged.
(4) The 3-D steel frame structure is redesigned upon different seismic intensity to
study the impact on the structure of the anti-progressive collapse when the seismic
intensity is improved. This paper discussed the relationship between seismic design and
progressive collapse design, and a detailed design process for anti-collapse design of
steel structure is given.
Key Word: steel frame structure, progressive collapse, the removal
component method, linear static analysis method, seismic fortification
intensity
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................ 1
1.1 研究背景 ................................................... 1
1.2 结构抗连续性倒塌国内外研究现状 ............................. 3
1.2.1 国外研究现状 .......................................... 3
1.2.2 国内研究现状 .......................................... 4
1.3 国外关于抗连续性倒塌的规范指南 ............................. 6
1.3.1 英国规范 .............................................. 6
1.3.2 欧洲规范 .............................................. 6
1.3.3 美国规范 .............................................. 7
1.3.4 各规范比较及使用情况 .................................. 8
1.4 连续性倒塌机理分析 ......................................... 8
1.5 本文的主要研究内容 ......................................... 9
第二章 结构抗连续性倒塌设计方法 .................................... 10
2.1 抗连续性倒塌设计方法 ...................................... 10
2.1.1 现有规范设计方法 ..................................... 10
2.1.2 现有规范设计方法分析 ................................. 11
2.2 抗连续性倒塌的分类设计策略 ................................ 12
2.3 拆除构件法 ................................................ 14
2.3.1 拆除位置 ............................................. 14
2.3.2 分析荷载 ............................................. 14
2.3.3 分析流程 ............................................. 16
2.3.4 失效准则 ............................................. 16
2.4 拆除构件分析方法 .......................................... 18
2.4.1 线性静力分析方法 ..................................... 18
2.4.2 非线性静力分析方法 ................................... 19
2.4.3 线性动力分析方法 ..................................... 20
2.4.4 非线性动力分析方法 ................................... 20
2.5 本章小结 .................................................. 22
第三章 抗连续性倒塌分析方法对比 .................................... 23
3.1 平面钢框架结构模型 ........................................ 23
3.1.1 结构模型信息 ......................................... 23
3.1.2 梁极限承载力计算 ..................................... 23
3.1.3 结构常规荷载下受力分析 ............................... 24
3.2 边柱失效抗连续性倒塌分析 .................................. 25
3.2.1 线性静力分析 ......................................... 25
3.2.2 非线性静力分析 ....................................... 27
3.2.3 线性动力分析 ......................................... 30
3.2.4 非线性动力分析 ....................................... 32
3.3 分析结果对比 .............................................. 33
3.4 本章小结 .................................................. 34
第四章 空间钢框架结构竖向连续性倒塌分析 ............................ 36
4.1 结构模型设计及判定准则 .................................... 36
4.1.1 钢框架结构模型设计 ................................... 36
4.1.2 分析计算条件 ......................................... 37
4.1.3 失效准则及破坏限度 ................................... 37
4.2 不同柱失效连续性倒塌分析 .................................. 38
4.2.1 选择移除杆件 ......................................... 38
4.2.2 移除边柱 ............................................. 39
4.2.3 移除角柱 ............................................. 41
4.2.4 移除内部柱 ........................................... 43
4.3 结果对比分析 .............................................. 46
4.3.1 内力对比分析 ......................................... 46
4.3.2 周期对比分析 ......................................... 46
4.3.3 位移对比分析 ......................................... 47
4.4 本章小结 .................................................. 48
第五章 不同抗震设防烈度钢框架抗连续倒塌能力分析 .................... 49
5.1 不同抗震设防烈度钢框架结构模型 ............................ 49
5.2 钢框架结构连续倒塌能力分析对比 ............................ 50
5.2.1 内力分析 ............................................. 50
5.2.2 周期分析 ............................................. 55
5.2.3 位移分析 ............................................. 56
5.2.4 分析小结 ............................................. 57
5.3 钢结构倒塌控制设计 ........................................ 58
5.3.1 倒塌控制设计与抗震设计的关系 ......................... 58
5.3.2 倒塌控制设计流程 ..................................... 59
5.3.3 倒塌控制设计措施 ..................................... 59
5.4 本章小结 .................................................. 60
第六章 结论与展望 .................................................. 62
6.1 本文主要结论 .............................................. 62
6.2 研究展望 .................................................. 63
参考文献 ........................................................... 64
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 68
致 谢 .............................................................. 69
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
1.1 研究背景
传统结构设计标准和规范只考虑了结构自重、使用荷载和地震、台风等因素
引起的常规荷载。然而过去几十年内发生的一些结构倒塌事故并不是由这些正常
荷载引起的，例如 1968 年位于英国的 Ronan Point 公寓因 18 楼煤气爆炸，导致结
构自上而下的连锁倒塌；1995 年美国联邦大楼遭汽车炸弹袭击，导致结构底层的
3根柱子全部失效，引起上部楼板的倒塌，最终导致整个建筑倒塌；2001 年，纽
约世贸中心大楼遭受飞机的撞击，引起大火，最终导致了整栋大楼的倒塌。这些
事故都是由于突发事件造成原始的局部性破坏，如果结构不能有效地进行内力重
分布，导致破坏在整个结构中不断发展，从而造成结构大范围破坏或整体倒塌，
即结构的连续性倒塌。
若结构最终的破坏状态和初始破坏不成比例，一般可以定义为连续倒塌[1]。引
发结构出现初始破坏的因素一般有火灾、撞击、爆炸、施工以及人为错误使用等。
由于意外事件的偶然性和低概率性，导致结构中出现的初始局部破坏无法预估且
无法量化；另一方面，结构一旦出现连续倒塌破坏将带来严重的负面影响。因此，
如何有效避免结构因局部破坏而导致连续倒塌，防止破坏及倒塌范围的扩大，成
为当前结构工程和防灾减灾工程的研究热点之一。
BS8110（英国混凝土设计标准）[2]将建筑结构抗连续性倒塌的能力定义为结
构的鲁棒性。鲁棒性的概念源于系统工程学科，表示系统可以抵御来自外部环境
的干扰及自身的不确定因素，而维持其稳定性的能力。可见结构抗连续性倒塌主
要关注的是整体结构在个别构件破坏，或小范围结构破坏、失效或损伤等这类扰
动下，结构系统保持其原结构稳定及抗变形的能力。
在结构中，部分构件发生局部的严重破坏，并且失去其在原有结构中的承载
能力后，结构的受力系统会产生两个显著变化：首先，局部破坏发生后，原结构
的内力分布发生显著的变化，针对框架结构的柱失效后，框架梁端部内力可能由
负弯矩变为正弯矩，框架柱上部的柱子可能由受压变为受拉；其次，在新的传力
形态下，结构和部分构件的内力一般会显著增大，内力的增大将会导致构件的屈
服。因此，抗连续倒塌设计与常规的结构设计不同之处在于，它是假设部分构件
失效，对剩余结构的受力机制及承载力需求进行深化设计和验证，因此结构抗连
续性倒塌设计需在一般设计方法的基础上继续深化。
上海理工大学硕士学位论文
2
1968 年Ronan Point 公寓事故发生后，结构工程界意识到建筑结构的连续倒塌
问题的重要性，相关研究在世界范围内逐渐展开。最早的建筑结构抗连续性倒塌
规定来自于 1970 年的英国建筑法案修正案以及 1976 年版的正式法案，法案明确
要求建筑结构在意外荷载作用下，不能发生与局部破坏不成比例的整体性倒塌[1]。
随后英国设计规范相继增加了关键构件法、拉结强度法、拆除构件法的设计规定
并延续至今。美国也在同一时期开展了相关研究工作，对装配式结构的替代传力
路径和节点性能提出了设计要求。但是，当时工程界内部并没有对建筑结构的连
续倒塌问题给予足够的重视和认识，认为拉结设计能够使结构避免连续倒塌，规
范不需要对结构的抗连续性倒塌进行专门的规定。1995 年俄克拉何马州的汽车炸
弹事件，以及 2001 年的“911”事件，使建筑结构的连续倒塌问题受到工程界的重新
重视，由此引发了大量关于连续倒塌问题的研究工作。此后，欧美一些发达国家
先后在其设计规范和设计指南中增加和完善了结构抗连续性倒塌的设计条文，如
英国规范（ODPM，2004；BSI，2002）、欧洲规范（CEN，2004a；CEN，2006）
和美国规范（ASCE，2005；ACI，2008）。美国针对性地制定了相关设计规范（GSA，
2003；DOD，2010），相对于通用规范的原则性规定，这两个规范对设计目标、计
算方法和结构的构造要求等进行了更具体的规定[1]。
我国的建筑抗震设计规范要求结构满足：小震不坏，中震可修，大震不倒[3]。
大震不倒为保证生命安全最重要的一个目标，即结构在遭受罕遇地震时不致倒塌。
为达到这一设计目标，规范从抗震验算、变形控制及构造措施等方面来进行规定，
但针对如何减少破坏的扩散以及不同结构体系的倒塌机制，目前研究还不够深入。
近年来，随着我国经济高速发展，为满足建筑要求，不断建设大型复杂公共
建筑结构，同时为了满足国际工程建设的需求，对建筑结构安全度的关注程度不
断提高，因此近年来结构抗连续性倒塌设计得到越来越多的重视，比如莫斯科中
国贸易中心、卡塔尔多哈办公楼、虹桥综合交通枢纽、成都双流国际机场、新广
州站等重大工程项目中，该问题成为亟待解决的主要课题。2010 年编制的《高层
建筑混凝土结构技术规程》[4]和《混凝土结构设计规范》[5]均纳入有关抗连续性倒
塌设计要求，体现了我国在抗连续性倒塌方面一些最新的研究成果。近些年国内
也发生了多起建筑结构连续倒塌破坏的事故，研究结构抵抗倒塌设计方法，以及
制定一些符合我国国情的结构抗倒塌规范和指南，有重要的现实意义。目前结构
工程建设朝着大跨度、超高层、不规则等方向迅速发展，促使优点明显的钢框架
结构应用日趋普遍，研究钢框架结构抗连续性倒塌设计具有重要意义。
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作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：73 页
大小：4.01MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
