極端荷載下結(jié)構(gòu)的倒塌問(wèn)題與思考

極端荷載下結(jié)構(gòu)的倒塌問(wèn)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(diǎn)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(fēng)大雪。。。。。特點(diǎn)：偶然性，多數(shù)屬于動(dòng)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(guó)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?xì)獗ㄒl(fā)連續(xù)性倒塌。多米諾骨牌式垮塌1995年4月19號(hào)美國(guó)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(zhǎng)67.1m，南北長(zhǎng)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?yàn)槭Х€(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(jì)到施工完成，最初可容納5萬(wàn)名工作人員。1993年2月26日，21號(hào)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(lái)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(jī)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(shí)施定向爆破。16時(shí)作用，在打爆破孔過(guò)程中，該樓西側(cè)突然發(fā)生坍塌，垮塌面積約1800m2，現(xiàn)場(chǎng)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(gè)商住樓兩次爆破均失敗。樓房坐落1層后非但沒(méi)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(gè)世界最大面積的泥石流模擬試驗(yàn)廳，定向爆破拆除不成功，不得不采用機(jī)械拆除。石油平臺(tái)油氣爆炸PiperAlpha平臺(tái)位于英國(guó)北海中部，是8樁腿的鉆進(jìn)/生產(chǎn)平臺(tái)。1988年7月6日約22時(shí)阿爾法平臺(tái)上泄漏出來(lái)的天然氣冷凝液發(fā)生爆炸。約22時(shí)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(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)坍塌，倒入海中。當(dāng)時(shí)平臺(tái)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(jì)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(méi)有完成的檢修作業(yè)+信息交流不足的交班+安全管理不當(dāng)=災(zāi)難石油平臺(tái)油氣氣爆炸平臺(tái)名稱：深深水地平線。。長(zhǎng)112m，寬78m，高97.4m，吃水23m。位于美國(guó)新奧奧爾良東南130英里處。作業(yè)業(yè)者：BP造價(jià)3.5億美元，日費(fèi)費(fèi)50萬(wàn)美元。人員員：126人事故經(jīng)過(guò)：2010年4月20日，該近海鉆鉆井平臺(tái)發(fā)生生爆炸，平臺(tái)臺(tái)燃燒36小時(shí)后，造成成11人失蹤，115人獲救（17人受傷）。石油平臺(tái)油氣氣爆炸深水地平線事事故后果：給BP公司帶來(lái)巨大大經(jīng)濟(jì)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(rùn)潤(rùn)為166億美元。生態(tài)態(tài)帶來(lái)災(zāi)難：：生態(tài)平衡被被破壞。海洋平臺(tái)倒塌塌的最終原因因往往是長(zhǎng)時(shí)時(shí)間燃燒，但但爆炸往往是是災(zāi)難的起點(diǎn)點(diǎn)，加劇損失失。全球核電站分分布當(dāng)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(jī)容量已已達(dá)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(yán)重重的核事故。INES等級(jí)達(dá)到7級(jí)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(guò)33.5萬(wàn)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(jí)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(shì)較低低地區(qū)的備用用柴油發(fā)電機(jī)機(jī)也在地震引引發(fā)的海嘯中中嚴(yán)重受損。。INES等級(jí)達(dá)到7級(jí)的核事故。。核電站事故-爆炸中國(guó)百年大地地震一覽圖地震：新中國(guó)成立以以來(lái)發(fā)生6.5級(jí)以上的強(qiáng)震震55次汶川地震連續(xù)續(xù)性倒塌實(shí)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(jìn)深梁無(wú)無(wú)拉結(jié)；右二：進(jìn)深梁梁下無(wú)構(gòu)造柱柱。汶川地震連續(xù)續(xù)性倒塌實(shí)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(guò)規(guī)范范設(shè)定“大震震”等級(jí)的地地震，可稱為為“巨震”。。例如汶川震震中達(dá)11度。。當(dāng)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(shí)時(shí)怎怎樣樣設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)？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(jì)計(jì)時(shí)間地點(diǎn)震級(jí)死亡(傷)人數(shù)1976年7月28日河北省唐山市7.8級(jí)24萬(wàn)2003年12月26日伊朗克爾曼省東南部6.6級(jí)5萬(wàn)2004年2月24日摩洛哥北部山區(qū)6.5級(jí)28萬(wàn)2005年2月22日伊朗東南部克爾曼省6.4級(jí)602(991)2005年3月28日印尼蘇門答臘島附近海域6.4級(jí)13002005年10月8日巴基斯坦首府伊斯蘭堡7.8級(jí)8.6萬(wàn)(10萬(wàn)多人)2006年5月27日印尼爪哇島6.2級(jí)57822006年7月17日印尼爪哇島南部海域7.7級(jí)6682007年8月15日秘魯8.0級(jí)5102008年5月12日四川省汶川縣8.0級(jí)69225(374640)2010年1月12日加勒比島國(guó)海地7.0級(jí)22.25萬(wàn)(19.6萬(wàn))2010年4月14日青海省玉樹縣7.1級(jí)22202011年3月11日日本宮城縣以東海域9.0級(jí)13232通過(guò)過(guò)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(huì)會(huì)綜綜合合影影響響日日益益嚴(yán)嚴(yán)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(wú)無(wú)法法回回避避的的現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)。。當(dāng)前前面面臨臨的的問(wèn)問(wèn)題題并并不不是是未未來(lái)來(lái)是是否否會(huì)會(huì)發(fā)發(fā)生生另另一一場(chǎng)場(chǎng)重重大大事事故故，，而而是是“何時(shí)時(shí)”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(hù)護(hù)問(wèn)問(wèn)題題會(huì)會(huì)成成為為將將來(lái)來(lái)一一個(gè)個(gè)重重要要的的社社會(huì)會(huì)關(guān)關(guān)注注和和研研究究熱熱點(diǎn)點(diǎn)。。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(gè)個(gè)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(diǎn)點(diǎn)：：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(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)點(diǎn)思思考考主要要內(nèi)內(nèi)容容國(guó)外外抗抗連連續(xù)續(xù)倒倒塌塌設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)規(guī)范范現(xiàn)現(xiàn)狀狀英國(guó)國(guó)：：BuildingRegulation,BSl00混凝凝土土規(guī)規(guī)范范加拿拿大大：：NationalBuildingCodeforCanada歐洲：Eurocode1美國(guó)：《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(jì)日本：《倒塌控制設(shè)計(jì)指南》中國(guó)：？各國(guó)規(guī)范范編制時(shí)時(shí)間表英國(guó)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(qiáng)度設(shè)計(jì)，構(gòu)件的跨越能力設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)三種設(shè)計(jì)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(gè)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(guó)將抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法納入規(guī)范已有近40年的歷史，實(shí)踐證明這些方法有一定的成效。多年來(lái)英國(guó)規(guī)范對(duì)世界其它各國(guó)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(guó)家。。其現(xiàn)行建建筑規(guī)范范(NBCC)強(qiáng)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(diǎn)點(diǎn)的設(shè)設(shè)計(jì)，，指出出設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)計(jì)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(qiáng)度度以抵抵御可可預(yù)測(cè)測(cè)及不不可預(yù)預(yù)測(cè)的的意外外荷載載。該該規(guī)范范采用用了與與英國(guó)國(guó)規(guī)范范類似似地設(shè)設(shè)計(jì)方方法：：拉結(jié)強(qiáng)強(qiáng)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(lái)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(gè)設(shè)設(shè)計(jì)層層次：：基于具具體的的意外外事件件；獨(dú)立于于意外外事件件，其其設(shè)計(jì)計(jì)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(guó)是受恐恐怖襲擊較較嚴(yán)重的國(guó)國(guó)家，近年年來(lái)很多機(jī)機(jī)構(gòu)和部門門都對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)抗連續(xù)倒倒塌的設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)范作出出了規(guī)定。。美國(guó)混凝凝土協(xié)會(huì)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(guó)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(jìn)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(jí)、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(jì)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(guó)國(guó)防部部(DoD)2005/2009年制定的規(guī)規(guī)范中指出出，國(guó)防設(shè)設(shè)施應(yīng)具有有抵抗不可可預(yù)測(cè)事件件造成的結(jié)結(jié)構(gòu)連續(xù)倒倒塌風(fēng)險(xiǎn)的的能力。該該規(guī)范將建建筑抗連續(xù)續(xù)倒塌設(shè)計(jì)計(jì)分為兩級(jí)級(jí)：對(duì)于低安全全等級(jí)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(qiáng)度；對(duì)對(duì)于高等級(jí)級(jí)的建筑除除保障其水水平、豎向向拉結(jié)強(qiáng)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(guó)世貿(mào)貿(mào)大樓倒塌塌后，通過(guò)過(guò)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(qiáng)度退退化對(duì)高層層建筑承載載性能的影影響，研究究了冗余度度對(duì)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(jiǎn)單單的高層建建筑抗倒塌塌設(shè)計(jì)驗(yàn)算算方法；另另外，對(duì)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(xiàng)研研究成果，，日本鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)協(xié)會(huì)和美美國(guó)高層建建筑與城市市生態(tài)環(huán)境境委員會(huì)聯(lián)聯(lián)合編制了了《倒塌控制設(shè)設(shè)計(jì)指南》，分設(shè)計(jì)計(jì)卷和研研究卷兩兩卷。[1]JapaneseSocietyofSteelConstruction&CouncilonTallBuildingsandUrbanHabitat．GuidelinesforCollapseControlDesign-ConstructionofSteelBuildingswithHighRedundancy[S]．2004．我國(guó)規(guī)范范還沒(méi)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(jì)計(jì)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(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)抗抗連續(xù)倒倒塌進(jìn)行行了定性性的說(shuō)明明，并沒(méi)沒(méi)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(duì)比內(nèi)容GSA2003DoD2005DoD2009抗倒塌建筑分類標(biāo)準(zhǔn)無(wú)按防護(hù)水平劃分為高、中、低很低四個(gè)級(jí)別按容納人數(shù)及使用功能劃分為I、II、III、IV四個(gè)級(jí)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(dòng)）力線性靜（動(dòng)）力非線性靜力線性靜（動(dòng)）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(jí)）0.0698（中高級(jí)）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(duì)荷荷載增大大系數(shù)DIF指動(dòng)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(diǎn)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(yàn)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(duì)現(xiàn)有有結(jié)構(gòu)的抗倒倒塌性能評(píng)價(jià)價(jià)。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