大跨度空间结构的连续性倒塌分析

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1、摘要：大跨度空间结构的空间体量大，而且多应用于人口密集的建筑中，因而在局部失效诱致整体结构发生连续性倒塌时，会造成大量的人员伤亡和巨大的财产损失。国内外针对大跨度空间结构连续倒塌的研究尚处于起步阶段，本文结合已有成果在理论分析方面，总结了各类结构的抗倒塌机制、鲁棒性评价方法和简化评估方法，并介绍了数值模拟在大跨度空间结构连续性倒塌研究中的应用，最后以清华大学陆新征所做的世界贸易中心飞机撞击后倒塌过程的仿真分析进行连续性倒塌数值模拟的实例说明。关键词：大跨度空间结构，连续性倒塌，鲁棒性，数值模拟0前言结构的连续性倒塌是指由非预期荷

2、载或作用诱致局部破坏、不平衡力使其邻域单元内力变化而失效，并促使构件破坏连续性扩展下去，从而造成与初始破坏不成比例的部分或全部结构的倒塌[1]。近年来，恐怖活动频繁、气候环境变化，导致风荷载、雪荷载、洪涝灾害变化幅度大，结构出现超载情况常态化，对连续性倒塌的研究应该得到足够的重视。结构抗连续倒塌设计对偶然事件发生时有效控制破坏范围,减少人员伤亡和经济财产损失,保障人员能从破坏的建筑中得以逃生起到极其重要的作用。本文首先介绍了国内外连续性倒塌研究状况，之后在分析结构连续倒塌定义的基础上，简述了大跨度空间结构的连续性倒塌理论分析和现

3、状，并对数值模拟在大跨度空间结构的连续性倒塌研究中的应用做了简述。1国内外对大跨度空间结构的连续性倒塌的研究状况1.1国内外对连续性倒塌的研究结构的连续性倒塌研究并不是一个新兴课题，此方面的研究在国外早已开始。但在我国对结构的连续性倒塌研究起步较晚。而对于结构的连续性倒塌研究多是基于框架结构，大跨度空间结构的连续性倒塌方面的研究相对较少。国外对连续性倒塌的研究早已开始。自1968年英国的RonanPoint公寓楼因煤气爆炸而发生连续性倒塌事故后国外研究人员和相关机构已经对其进行了四十多年的研究，并以三次重大的连续性倒塌事故(19

4、68年英国的RonanPoint公寓楼，1995年美国AlfredP．联邦大楼，2001年美国纽约世贸大楼)为标志掀起了三次研究高潮，取得了不少研究成果，并制定了相关设计规程。研究者们提出了很多关于连续倒塌的分析方法及设计建议,目前,英国的BritishStandard、欧洲的Eurocode1、加拿大的NBCC等均有关于如何改善结构抗连续倒塌能力的规定，美国总务管理局编制的GSA2003和国防部编制的DOD2009则较为详细的阐述了结构抗连续倒塌的设计方法及流程。日本、俄罗斯也编制了结构倒塌控制设计规程[2]。图1.美国Alf

5、redP联邦大楼图2.美国纽约世贸大楼我国对结构连续性倒塌的研究起步较晚，基本上是从美国发生9.11事件之后，学者们才开始广泛研究。以刘西拉为首的一批学者对结构在意外事件中的易损性及构件重要性的评估方法进行了一系列研究。同济大学陈以一等对国内外建筑结构连续倒塌的现状进行了综述。马人乐、陈俊岭等对结构的二次防御能力、钢塔的连续倒塌等进行了深入的研究。清华大学的叶列平、陆新征等人结合清华大学土木工程系开发的适用于钢筋混凝土杆系结构的纤维模型THUFIBER软件对混凝土结构的连续性倒塌进行了相关研究。钱稼茹、胡晓斌对钢结构框架在连续性

6、倒塌过程中的动力效应进行了相关研究，总结了荷载动力放大系数的影响因素。湖南大学的易伟建等对钢筋混凝土框架结构进行了连续性倒塌试验，并进行了有限元数值模拟［3］。目前，我国的建筑结构设计规范中，并没有明确的关于结构抗连续性倒塌的相关条文，仅在概念上提出“结构应具有整体稳定性，结构的局部破坏不应导致大范围倒塌”。1.2国内外对大跨度空间结构的连续性倒塌的研究如今国内外对框架结构的连续性倒塌研究取得不少成果但是局限于多高层混凝土结构或钢框架结构及框架－剪力墙结构体系的，大跨空间结构体系抗连续性倒塌的研究很少。其涉及较少的原因可能有以下

7、几种：首先，空间结构的超静定次数多，认为其抵抗连续性倒塌的能力强；其次，大跨度空间结构无法进行针对性强的实验；最后，空间结构的连续性倒塌研理论复杂，研究难度大。建筑结构的形成体成三维空间状，并具有三维受力特性，呈立体工作状态的结构称为空间结构[9]。大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。网架、网壳、桁架、张弦结构等是现代应用最多的大跨度结构体系，且常属于大型公共建筑物，若遭到撞击、火灾、爆炸甚至恐怖袭击时，可能无法避免地造成某些局部构件的失效，进而可能导致整体结构失效。如今人们对建筑的跨度和美观要求逐渐提高，大跨度空间

8、结构的应用越来越广泛，大跨度空间结构又多应用于像体育场、航站楼等人口密集的建筑物，如若有突发的荷载施加于空间结构导致其发生连续性倒塌，其后果是很严重的。这就需要学者们投入更多的精力于大跨度空间结构的连续性倒塌研究中。2结构连续性倒塌概念分析美国土木工程协会在AS