極端荷載下結(jié)構(gòu)的倒塌問題與思考

極端荷載下結(jié)構(gòu)的倒塌問題與思考1.極端荷載下結(jié)構(gòu)倒塌事故概況2.抗倒塌的規(guī)范情況3.代表性的研究成果介紹4.幾點思考主要內(nèi)容極端荷載爆炸（炸彈爆炸、爆破拆除、油氣等化工爆炸、核電站爆炸）地震火災(zāi)人為失誤碰撞颶風大雪。。。。。特點：偶然性，多數(shù)屬于動力荷載，可能造成災(zāi)難性后果。爆炸——煤氣爆炸1968年5月16日，英國倫敦22層、64m高的RonanPoint公寓連續(xù)性倒塌在18層角部發(fā)生燃氣爆炸引發(fā)連續(xù)性倒塌。多米諾骨牌式垮塌1995年4月19號美國俄亥俄洲的Murrah聯(lián)邦大廈發(fā)生恐怖炸彈襲擊事件。汽車炸彈在距離大廈4.75m的地方被引爆。Murrah聯(lián)邦大廈是傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，大樓兩主軸方向東西長67.1m，南北長304m，12.2m的轉(zhuǎn)換大梁支撐3根3-9層的柱子。汽車炸彈炸毀了結(jié)構(gòu)的底層柱并擊穿了樓板與轉(zhuǎn)換大梁。由于失去轉(zhuǎn)換大梁與樓板的支撐，旁邊的底層柱隨后因為失穩(wěn)發(fā)生破壞從而導(dǎo)致其上部分相繼發(fā)生破壞。最終結(jié)構(gòu)一側(cè)發(fā)生整體倒塌。爆炸——恐怖襲擊爆炸——恐怖襲擊911中的紐約世貿(mào)大廈1962年—1977年，世界貿(mào)易中心從設(shè)計到施工完成，最初可容納5萬名工作人員。1993年2月26日，21號大樓地下室被恐怖分子襲擊，伊斯蘭極端份子在地下室放置炸彈，導(dǎo)致6人死亡，約有1000人受傷。后來這些恐怖份子都被判處240年的徒刑。2001年9月11日，世貿(mào)中心被恐怖份子用民航客機自殺攻擊而撞毀，兩幢110層摩天大樓最終倒塌。爆破拆除2009年12月30日，廣西柳州市爆破拆除22層高層公寓失敗，被劈成兩半的大樓一半倒塌，一半斜立原地。爆破拆除2005年1月14日下午，四川宜賓市廣播電視大學(xué)一幢6層舊教學(xué)樓實施定向爆破。16時作用，在打爆破孔過程中，該樓西側(cè)突然發(fā)生坍塌，垮塌面積約1800m2，現(xiàn)場作業(yè)11名施工人員被掩埋在廢墟中。2001年11月16日，青海西寧一個商住樓兩次爆破均失敗。樓房坐落1層后非但沒有倒下，而是成為傾斜20度的斜樓。爆破拆除2004年11月2日，中科院成都分院有一個世界最大面積的泥石流模擬試驗廳，定向爆破拆除不成功，不得不采用機械拆除。石油平臺油氣爆炸PiperAlpha平臺位于英國北海中部，是8樁腿的鉆進/生產(chǎn)平臺。1988年7月6日約22時阿爾法平臺上泄漏出來的天然氣冷凝液發(fā)生爆炸。約22時20分氣體立管發(fā)生破裂再次發(fā)生大爆炸，其后又發(fā)生一系列爆炸，整個平臺結(jié)構(gòu)坍塌，倒入海中。當時平臺上共226人，其中165人死亡，61人生還，另2名救援人員死亡。直接經(jīng)濟損失近28.7億英鎊，產(chǎn)量損失13.5億英鎊，稅收損失7.7億英鎊。事故原因：沒有完成的檢修作業(yè)+信息交流不足的交班+安全管理不當=災(zāi)難石油平臺油氣氣爆炸平臺名稱：深深水地平線。。長112m，寬78m，高97.4m，吃水23m。位于美國新奧奧爾良東南130英里處。作業(yè)業(yè)者：BP造價3.5億美元，日費費50萬美元。人員員：126人事故經(jīng)過：2010年4月20日，該近海鉆鉆井平臺發(fā)生生爆炸，平臺臺燃燒36小時后，造成成11人失蹤，115人獲救（17人受傷）。石油平臺油氣氣爆炸深水地平線事事故后果：給BP公司帶來巨大大經(jīng)濟損失：：事故發(fā)生兩兩周內(nèi)BP股票下挫17%，市值蒸發(fā)近近320億美元。BP面臨數(shù)十億美美元的賠償，，2009年該公司利潤潤為166億美元。生態(tài)態(tài)帶來災(zāi)難：：生態(tài)平衡被被破壞。海洋平臺倒塌塌的最終原因因往往是長時時間燃燒，但但爆炸往往是是災(zāi)難的起點點，加劇損失失。全球核電站分分布當前世界上已已有450多座核反應(yīng)堆堆電站并網(wǎng)發(fā)發(fā)電，核電總總裝機容量已已達3.5億kw以上，約占世世界發(fā)電總量量的17%。1986年4月26日，前蘇聯(lián)切切爾諾貝利核核電站發(fā)生世世界上最嚴重重的核事故。INES等級達到7級的核事故。。輻射云覆蓋歐歐洲東部、西西部和北部大大部分地區(qū)，，有超過33.5萬人被迫撤離離疏散區(qū)。此此次核事故的的直接死亡人人數(shù)為53人，另有數(shù)千千人因受到輻輻射患上各種種慢性病。核電站事故-爆炸福島第一核電電站位于東京京東北部170英里，是世界界上規(guī)模最大大的核電站之之一。2011年3月11日，日本發(fā)生生9級大地震，引引起的斷電導(dǎo)導(dǎo)致反應(yīng)堆冷冷卻劑泵停止止工作。存放放在地勢較低低地區(qū)的備用用柴油發(fā)電機機也在地震引引發(fā)的海嘯中中嚴重受損。。INES等級達到7級的核事故。。核電站事故-爆炸中國百年大地地震一覽圖地震：新中國成立以以來發(fā)生6.5級以上的強震震55次汶川地震連續(xù)續(xù)性倒塌實例例校舍連續(xù)性倒倒塌都江堰聚源中中學(xué)教學(xué)樓倒塌后結(jié)構(gòu)組成形式式右一：預(yù)制板板與進深梁無無拉結(jié)；右二：進深梁梁下無構(gòu)造柱柱。汶川地震連續(xù)續(xù)性倒塌實例例小震不壞、中中震可修、大大震不倒。設(shè)設(shè)防大震比設(shè)設(shè)防中震高一一度。地震具有高度度不確定性，，很多6、7度地震區(qū)發(fā)生生了超過規(guī)范范設(shè)定“大震震”等級的地地震，可稱為為“巨震”。。例如汶川震震中達11度。。當結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)遇遇到到高高于于設(shè)設(shè)防防大大烈烈度度時時怎怎樣樣設(shè)設(shè)計計？小震震不不壞壞、、中中震震可可修修、、大大震震不不倒倒、、巨巨震震避避巨震震的的抗抗倒倒塌塌設(shè)設(shè)計計時間地點震級死亡(傷)人數(shù)1976年7月28日河北省唐山市7.8級24萬2003年12月26日伊朗克爾曼省東南部6.6級5萬2004年2月24日摩洛哥北部山區(qū)6.5級28萬2005年2月22日伊朗東南部克爾曼省6.4級602(991)2005年3月28日印尼蘇門答臘島附近海域6.4級13002005年10月8日巴基斯坦首府伊斯蘭堡7.8級8.6萬(10萬多人)2006年5月27日印尼爪哇島6.2級57822006年7月17日印尼爪哇島南部海域7.7級6682007年8月15日秘魯8.0級5102008年5月12日四川省汶川縣8.0級69225(374640)2010年1月12日加勒比島國海地7.0級22.25萬(19.6萬)2010年4月14日青海省玉樹縣7.1級22202011年3月11日日本宮城縣以東海域9.0級13232通過過上上述述事事故故案案例例分分析析得得：：結(jié)構(gòu)構(gòu)體體系系的的復(fù)復(fù)雜雜性性在在日日益益增增加加。。結(jié)構(gòu)構(gòu)倒倒塌塌及及次次生生災(zāi)災(zāi)害害是是造造成成人人員員傷傷亡亡的的真真正正““元元兇兇””。。重重大大工工程程破破壞壞、、倒倒塌塌的的社社會會綜綜合合影影響響日日益益嚴嚴重重。。自然然災(zāi)災(zāi)害害、、人人為為失失誤誤以以及及設(shè)設(shè)備備老老化化都都是是無無法法回回避避的的現(xiàn)現(xiàn)實實。。當前前面面臨臨的的問問題題并并不不是是未未來來是是否否會會發(fā)發(fā)生生另另一一場場重重大大事事故故，，而而是是“何時時”發(fā)生生。。極端端荷荷載載下下結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的破破壞壞、、倒倒塌塌、、防防護護問問題題會會成成為為將將來來一一個個重重要要的的社社會會關(guān)關(guān)注注和和研研究究熱熱點點。。倒塌塌事事故故小小結(jié)結(jié)定義義：：建建筑筑結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的連連續(xù)續(xù)性性倒倒塌塌(ProgressiveCollapse)是指指結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)部部分分構(gòu)構(gòu)件件或或局局部部發(fā)發(fā)生生破破壞壞后后其其周周圍圍構(gòu)構(gòu)件件相相繼繼發(fā)發(fā)生生破破壞壞甚甚至至導(dǎo)導(dǎo)致致整整個個結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)完完全全倒倒塌塌的的現(xiàn)現(xiàn)象象。。特點點：：破破壞壞具具有有““連連續(xù)續(xù)性性””與與““不不成成比比例例性性”，即即隨隨后后的的破破壞壞緊緊隨隨最最初初的的破破壞壞，，且且最最終終破破壞壞的的范范圍圍遠遠大大于于初初始始破破壞壞[Ellingwood.B,1978]。連續(xù)續(xù)性性倒倒塌塌破破壞壞往往往往由由非非常常規(guī)規(guī)荷荷載載作作用用引引起起，，非非常常規(guī)規(guī)荷荷載載包包括括炸炸彈彈爆爆炸炸、、汽汽車車撞撞擊擊、、地地震震、、海海嘯嘯等等作作用用。。連續(xù)續(xù)性性倒倒塌塌的的定定義義1.極端端荷荷載載下下結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)倒倒塌塌的的事事故故概概況況2.抗倒倒塌塌的的規(guī)規(guī)范范情情況況3.代表表性性的的研研究究成成果果介介紹紹4.幾點點思思考考主要要內(nèi)內(nèi)容容國外外抗抗連連續(xù)續(xù)倒倒塌塌設(shè)設(shè)計計規(guī)規(guī)范范現(xiàn)現(xiàn)狀狀英國國：：BuildingRegulation,BSl00混凝凝土土規(guī)規(guī)范范加拿拿大大：：NationalBuildingCodeforCanada歐洲：Eurocode1美國：《聯(lián)邦政政府辦公公樓以及及大型現(xiàn)現(xiàn)代建筑筑連續(xù)倒倒塌分析析和設(shè)計日本：《倒塌控制設(shè)計指南》中國：？各國規(guī)范范編制時時間表英國是1976年在BuildingRegulation中規(guī)定：結(jié)構(gòu)在偶然荷載下不應(yīng)發(fā)生與初始破壞不相稱的大面積坍塌，并提出了拉結(jié)強度設(shè)計，構(gòu)件的跨越能力設(shè)計以及關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計三種設(shè)計方法。BSl00混凝土規(guī)范中規(guī)定：結(jié)構(gòu)不應(yīng)存在明顯薄弱層，且每個樓層應(yīng)能承受該樓層自重1.5％的水平荷載，以保證結(jié)構(gòu)在意外荷載下的穩(wěn)定性。

英國將抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法納入規(guī)范已有近40年的歷史，實踐證明這些方法有一定的成效。多年來英國規(guī)范對世界其它各國的抗連續(xù)倒塌規(guī)范都產(chǎn)生了很大的影響。在RonanPoint公寓倒塌塌事件發(fā)發(fā)生后，，加拿大大也是做做出反應(yīng)應(yīng)較早的的國家。。其現(xiàn)行建建筑規(guī)范范(NBCC)強調(diào)結(jié)結(jié)構(gòu)關(guān)關(guān)鍵構(gòu)構(gòu)件和和關(guān)鍵鍵節(jié)點點的設(shè)設(shè)計，，指出出設(shè)計計中應(yīng)應(yīng)提供供多傳傳力路路徑（（增大大冗余余度））。應(yīng)保證證結(jié)構(gòu)構(gòu)的完完整性性，并并建議議設(shè)計計中應(yīng)應(yīng)考慮慮所有有發(fā)生生概率率在0.01％以上上的極極限荷荷載，，以防防止突突發(fā)條條件下下結(jié)構(gòu)構(gòu)連續(xù)續(xù)倒塌塌的發(fā)發(fā)生。。Eurocode1規(guī)定結(jié)結(jié)構(gòu)必必須具具有足足夠的的強度度以抵抵御可可預(yù)測測及不不可預(yù)預(yù)測的的意外外荷載載。該該規(guī)范范采用用了與與英國國規(guī)范范類似似地設(shè)設(shè)計方方法：：拉結(jié)強強度法法；拆除構(gòu)構(gòu)件法法；關(guān)鍵構(gòu)構(gòu)件法法。該規(guī)范范更注注重提提高結(jié)結(jié)構(gòu)的的整體體性、、延性性和冗冗余度度來提提高結(jié)結(jié)構(gòu)抗抗連續(xù)續(xù)倒塌塌的能能力。。規(guī)范范中明明確了了結(jié)構(gòu)構(gòu)的兩兩個設(shè)設(shè)計層層次：：基于具具體的的意外外事件件；獨立于于意外外事件件，其其設(shè)計計目的的在于于控制制意外外事件件造成成的局局部破美國是受恐恐怖襲擊較較嚴重的國國家，近年年來很多機機構(gòu)和部門門都對結(jié)構(gòu)構(gòu)抗連續(xù)倒倒塌的設(shè)計計規(guī)范作出出了規(guī)定。。美國混凝凝土協(xié)會ACI規(guī)定了一系系列提高結(jié)結(jié)構(gòu)延性和和完整性的的措施。美國公共事事業(yè)管理局局(GSA)2003年制定了判判斷建筑物物是否可以以免于進行行抗連續(xù)倒倒塌分析的的流程，考考慮了建筑筑物的用途途、安全等等級、使用用年限以及及材料、結(jié)結(jié)構(gòu)形式等等因素。另另外，該指指南還建議議了一些設(shè)設(shè)計概念，，以提高新新建建筑的的抗連續(xù)倒倒塌能力，，包括提高結(jié)結(jié)構(gòu)冗余度度、延性、、連續(xù)性以以及考慮反反向荷載作作用等。美國國防部部(DoD)2005/2009年制定的規(guī)規(guī)范中指出出，國防設(shè)設(shè)施應(yīng)具有有抵抗不可可預(yù)測事件件造成的結(jié)結(jié)構(gòu)連續(xù)倒倒塌風險的的能力。該該規(guī)范將建建筑抗連續(xù)續(xù)倒塌設(shè)計計分為兩級級：對于低安全全等級的結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)保障障其水平和和豎向拉結(jié)結(jié)強度；對對于高等級級的建筑除除保障其水水平、豎向向拉結(jié)強度度外，還需需滿足ASCE-7介紹的多路路徑傳遞法法的要求，，以及結(jié)構(gòu)延延性和完整整性的要求求。2001年美國世貿(mào)貿(mào)大樓倒塌塌后，通過過考察局部部構(gòu)件失效效和火災(zāi)事事故下鋼構(gòu)構(gòu)件強度退退化對高層層建筑承載載性能的影影響，研究究了冗余度度對抵抗結(jié)結(jié)構(gòu)連續(xù)性性倒塌破壞壞的作用和和高性能耐耐火鋼的開開發(fā)應(yīng)用前前景，并提提出了簡單單的高層建建筑抗倒塌塌設(shè)計驗算算方法；另另外，對大大跨空間結(jié)結(jié)構(gòu)的敏感感性分析也也作了一定定的研究工工作。作為這項研研究成果，，日本鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)協(xié)會和美美國高層建建筑與城市市生態(tài)環(huán)境境委員會聯(lián)聯(lián)合編制了了《倒塌控制設(shè)設(shè)計指南》，分設(shè)計計卷和研研究卷兩兩卷。[1]JapaneseSocietyofSteelConstruction&CouncilonTallBuildingsandUrbanHabitat．GuidelinesforCollapseControlDesign-ConstructionofSteelBuildingswithHighRedundancy[S]．2004．我國規(guī)范范還沒有有在抗連連續(xù)性倒倒塌方面面做出明明確規(guī)定定，只是是在GB50010《混凝土結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計計規(guī)范》的第3.1.6條中規(guī)定定：結(jié)構(gòu)應(yīng)具具有整體體穩(wěn)定性性，結(jié)構(gòu)構(gòu)的局部部破壞不不應(yīng)導(dǎo)致致大范圍圍的倒塌塌。規(guī)范只對對結(jié)構(gòu)抗抗連續(xù)倒倒塌進行行了定性性的說明明，并沒沒有具體體的方法法和要求求，缺乏乏可操作作性。規(guī)范比較較

規(guī)范名稱

對比內(nèi)容GSA2003DoD2005DoD2009抗倒塌建筑分類標準無按防護水平劃分為高、中、低很低四個級別按容納人數(shù)及使用功能劃分為I、II、III、IV四個級別荷載組合1.0D+0.25L1.2D+0.5L+0.2W1.2D+0.5L+LLat拆除構(gòu)件的位置首層柱或墻所有樓層柱或墻同DoD2005分析方法（拆除構(gòu)件法）靜（動）力線性靜（動）力非線性靜力線性靜（動）力非線性同DoD2005倒塌范圍限制被拆除構(gòu)件之上樓層的坍塌面積小于167平方米（334平方米）或與拆除的豎向構(gòu)件相連跨度:取最小值被拆除構(gòu)件之上樓層的坍塌面積小于70平方米（140平方米）或該樓層總面積的15%(30%):取最小值不允許任何結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生倒塌破壞RLIF2.02.00.9+1.1/CIF鋼框架1.2+0.8/CIFRC框架DIF（變形控制）2.02.01.08+0.76/(Qpra/Qy+0.83)鋼框架1.04+0.45/(Qpra/Qy+0.48)RC框架DCR2.0規(guī)則結(jié)構(gòu)1.5不規(guī)則結(jié)構(gòu)1.01.0最大允許塑性轉(zhuǎn)角(rads)(RC框架角)0.1050.105（低級）0.0698（中高級）與梁斷面尺寸、縱筋配筋率、配筋率等因素有關(guān)注：DCR指需求能能力比CIF指抗力增增大系數(shù)數(shù)RLIF指相對荷荷載增大大系數(shù)DIF指動力放放大系數(shù)數(shù)θpra指框架梁梁端的塑塑性轉(zhuǎn)角角θy指框架梁梁端的屈屈服轉(zhuǎn)角角1.極端荷載下結(jié)結(jié)構(gòu)倒塌的事事故概況2.抗倒塌的規(guī)范范情況3.代表性的研究4.幾點思考主要內(nèi)容代表性的研究究成果介紹1.爆破荷載下構(gòu)構(gòu)件的試驗及及數(shù)值模擬。。代表性的研究究成果介紹2.按照GSA或DoD規(guī)范，采用““去柱”的方方法，對現(xiàn)有有結(jié)構(gòu)的抗倒倒塌性能評價價。代表性的研究究成果介紹3.結(jié)構(gòu)倒塌的數(shù)數(shù)值模擬（離離散元方法））代表性的研究究