國內外防連續倒塌設計思路概要

什么是“連續倒塌”？

“連續倒塌”，一種建筑工程界的災難事件，每次發生幾乎都伴隨著大量人員傷亡和財產損失，土木工程專業從業者應該對這個名詞不會陌生，那究竟什么是“連續倒塌”呢？先來看看這幾個工程實例。

1968年5月16日，倫敦Ronan Point地區一高層公寓，18層一單元煤氣爆炸破壞房間外墻板，使得整棟樓的角部發生多米諾骨牌效應從上到下坍塌至底層，這就是歷史上著名的“羅蘭”倒塌事件（圖一）。該次事故中共有4人死亡和17人受傷。

圖一

美國俄克拉荷馬州聯邦大樓是一座9層鋼筋混凝土結構的政府職能大樓。1995年4月19日恐怖分子引爆炸彈導致聯邦大樓大規模破壞，結構整個立面完全倒塌，附近的幾棟建筑也遭到不同程度的破壞（圖二）。這次事故導致168人死亡和超過500人受傷。

圖二

2001年9月11日，美國兩架波音767飛機遭到劫持分別撞擊世貿中心的北樓和南樓。受沖擊層的上部向下部的坍塌引起了連續性坍塌（圖三）。此次事件直接造成了3000多人的死亡和巨額財產損失，嚴重沖擊了美國和世界經濟，甚至影響了今后數十年的世界格局。

圖三

我國也存在很多連續倒塌事件，如：湖南衡陽大廈特大火災倒塌事件，石家莊特大連環爆炸事件和湖南邵陽“1.31”特大爆炸事件中居民樓的倒塌，廣東九江大橋發生“船撞橋塌”事故中的橋面坍塌等。

美國土木工程師協會（ASCE）在《建筑或其它結構最小設計荷載》中將“連續倒塌”定義為：初始局部破壞從構件到構件不斷傳播，導致結構最終發生整體倒塌或與初始破壞不成比例的大范圍的局部倒塌。

所謂“連續倒塌”是指結構由于偶然荷載作用產生局部破壞，進而造成相鄰連接構件發生連續破壞，最終導致結構發生大范圍的局部倒塌或者整體倒塌。上述幾個事件，“偶然性”和“不成比例的破壞”是其共同特征，都是由于撞擊、爆炸等偶然荷載的作用導致某一根結構構件失效，進而導致結構整體或大范圍產生破壞。

“連續倒塌”產生的原因

具體分析其倒塌原因，羅蘭公寓的結構體系為裝配式混凝土板式結構，承重墻板和樓板全部預制，圖四為公寓的墻板典型連接構造節點。各預制板之間的節點僅有齒槽灌漿相連而無鋼筋連接，結構缺乏整體性和足夠的冗余度，當18 樓套間的外墻被炸飛后，結構沒有足夠的荷載傳遞路徑，因此產生了連鎖坍塌反應。

圖四

俄克拉荷馬州聯邦大樓的倒塌的直接原因，則是由于爆炸炸斷了結構底層的一根框支柱，導致相鄰兩根柱子受剪嚴重破壞，柱所支承的轉換梁失效，從而轉換梁上支承的柱子失效，上部樓板的塌落依次傳遞下去，最終導致結構整個立面的完全倒塌。

世貿中心大廈是由于飛機撞擊后產生的巨大沖擊破壞以及大火燃燒引起的高溫導致鋼材的軟化，進而導致局部樓層的塌落，塌落沖擊荷載一層層的向下傳遞，最終導致大樓轟然倒塌。從這次倒塌事故來看，雖然也是局部破壞最終導致整個大樓的倒塌，但是在遭遇如此巨大的飛機撞擊而大面積破壞后結構尚能維持穩定，經過大火燃燒一小時后才倒塌，為災害發生后的營救提供了寶貴的時間，可以說世貿中心雙塔的結構己經表現出了良好的抗連續倒塌性能。

各國規范是如何防“連續倒塌”設計的？

自RONAN POINT公寓發生“連續倒塌”事件以后，英國、美國、加拿大、日本等發達國家都進行了相關的研究工作，并陸續在規范中增加了關于如何改善結構抗連續倒塌能力的規定。下面來看看各國規范是如何做的吧。

1）美國

美國《聯邦政府辦公樓以及大型現代建筑連續倒塌分析和設計指南》(GSA2003)和《建筑抗連續倒塌設計》(Do D2009) 較為詳細的闡述了結構的抗連續倒塌設計方法和流程。目前，國內外大多數學者的抗連續倒塌研究均以這兩本規范為主要依據。

GSA2003提出了判斷建筑是否可以免于進行抗連續倒塌分析的流程圖，若倒塌風險較高，則將采用拆除構件法對結構的抗連續倒塌能力進行評估。拆除構件法是將結構中的部分構件拆除，模擬結構的初始破壞，通過有限元法分析結構中部分構件拆除后的剩余結構的強度，判斷結構是否會發生連續倒塌。這種方法的實質是增強結構的冗余度，提供有效的備用傳力途徑，因此又被稱為“替代路徑設計法”（Alternate Path Method）。

與 GSA2003 相比，Do D2009 對要求做抗連續倒塌性能分析的建筑進行分類。針對不同的分類標準采用拉結構件法、拆除構件法和附加的延性要求等進行設計。拉結構件法通過合理設置結構構件以及對構件間的連接進行驗算來保證構件的連接，從而保證結構的整體性和備用荷載傳遞路徑。拉結方式上分為水平拉結和豎向拉結；從受力機制上，水平拉結包括梁機制和懸索機制。圖五為構件拉結示意圖。

圖五

2）英國

為防止結構發生連續倒塌，英國規范設計過程分為三個步驟：(l)在結構體系中設置拉結系桿以提高結構的整體性；(2)通過移除構件的方式來檢查結構的局部破壞，以確保局部失效不會造成結構大面積不成比例的連續倒塌；(3)確定結構的關鍵構件且優先經過特殊設計，以確保該構件在偶然荷載下不會失效。

3）歐洲其他國家

歐洲采用的方法與英國類似，但在設計過程中引入了三個設計準則，一是排除或減少爆炸等一些可產生偶然荷載的源頭。二是從結構受力性能考慮保證結構的連續性以及有足夠的冗余度，如拉結構件法等。三是對關鍵受力構件進行的重點設計，可通過利用構件的懸索作用而將破壞限制在局部。

4）中國

我國規范中《混凝土結構設計規范》3.6節和《建筑抗震設計規范》3.5節作了少許規定，此外2014年編制的工程建設協會標準《建筑結構抗倒塌設計規范》規定較為詳細，規范中將抗連續倒塌設計方法歸納為四類：概念設計、拉結構件法、拆除構件法和局部加強法。

結構概念設計主要從方案布置、整體性、延性、冗余度等方面入手以增強結構的抗連續倒塌能力，降低結構連續倒塌的風險。但是概念設計難以量化，嚴重依賴設計人員的水平和經驗。典型的實例有成都雙流國際機場T2航站樓與成都市規劃展覽館等。

拉結構件法、拆除構件法與GSA2003、DoD2009的方法較為相似，我國規范中詳細說明了線性靜力法、非線性靜力法、非線性動力法三種分析方法的拆除過程，包括荷載的取值，動力放大系數，荷載的施加，構件破壞的判斷標準等關鍵問題，可操作性強，是目前使用的最廣的方法。圖六為國內某美術館部分結構的抗連續倒塌分析，通過依次拆除結構角柱分析剩余結構是否存在備用荷載傳遞路徑以防止連續倒塌。

局部加強法又稱關鍵構件法，在我國規范中規定較少。

圖六

5）各國規范的異同

設計方法可分為直接設計法和間接設計法，概念設計和拉結構件法屬于間接設計法，而拆除構件法和局部加強法則屬于直接設計法。直接設計需要對結構進行量化和模型化，而間接設計主要通過構造措施來保證，不考慮偶然荷載的作用。圖七為各國規范的異同，其中“●”表示詳細規定，操作性強；“〇”表示有采用，但操作性不強；“Ｘ”表示只是提及或不采用。

圖七

結語

隨著我國經濟的發展，越來越多的大型公共建筑物要求進行抗連續倒塌設計和評估，如奧運水立方、莫斯科中國貿易中心、虹橋綜合交通樞紐等。因此建筑結構的抗連續倒塌問題成為當前我國工程界關注的熱點之一。但是相比其他工程防災減災問題而言，抗連續倒塌問題的研究時間不長，且是一個復雜的動態過程，至今還沒有一個國家能就此提出精確、定量的計算方法。同時我國新建大型公共建筑數量眾多，但抗連續倒塌設計卻較少，在加強建筑結構的防“連續倒塌”設計上，我們土木人仍“道阻且長”，但我堅信“行則將至”。

來源：非解構