谈谈钢框架结构抗连续倒塌设计

摘　要：结构抗连续倒塌的分析和设计已经成为工程界关注的热点。结合目前国内外研究情况，对钢框架结构的抗连续倒塌设计措施的研究作了比较和归纳，概述了当前钢框架结构抗连续倒塌设计的方法，以指导钢框架结构设计和加固处理。 The anti-progressive collapse ability of structures’ analysis and design has become the focus of attention by the engineering community. According to present study, We made ??comparison and induction about the anti-progressive collapse of steel frame structure design measures, Giving an overview of the current steel frame with anti -progressive collapse design methods to guide the steel frame design and reinforcement.

关键词：钢框架；抗连续倒塌；概念设计 Steel frame; Anti-progressive collapse; Conceptual design

1.概述
　　伴随建筑行业的发展和建筑技术提高，新型建筑材料不断涌现，结构呈现出形式多样化、体系复杂化趋势。结构在服役期间，可能遭受到初步设计中不曾考虑的偶然荷载作用。由于偶然作用具有随机性、不确定性和巨大的破坏性，这种作用一旦发生，将严重危机人们的生命和财产安全，引起结构发生局部连续性倒塌和整体倒塌。结构体系朝着大跨度、超高层方向发展的趋势促使具有质轻高强、施工方便的钢框架结构应用日趋广泛。因此，进行钢框架结构抗连续倒塌设计意义重大。
2.结构连续倒塌的定义
    结构连续倒塌，是指结构在非常规荷载作用下（如强震、撞击、爆炸和火灾等）作用下发生局部破坏而形成初始损伤，然后结构发生内力重分布而引起其它部分破坏，进而形成连锁反应，最终导致结构部分或全部倒塌[7]。结构的抗连续倒塌能力的概念与结构二次防御能力的概念类似，核心是结构通过内力重分布和调整以及构件截面应力重分布阻止局部和整体发生破坏的能力。
3.结构连续倒塌设计
　　影响钢框架结构的抗连续倒塌能力的因素众多，目前采用的设计方法主要有事件控制法、间接设计法和直接设计法。
　　偶然作用的特点是发生概率很小但破坏作用很大，针对不同建筑物发生连续倒塌破坏时所造成的社会影响，综合钢框架结构抗连续倒塌能力的影响因素，结构的局部和整体特征、
及经济性，对结构抗连续倒塌进行不同设防等级的设计。
       3. 1控制偶然事件的发生
　　在结构设计基准期内所遭受的偶然作用即偶然事件是导致结构发生连续倒塌的最初原因。为从源头上降低结构发生连续倒塌的可能性，要采取措施（如加强消防、安全检查和设
置防撞隔离带等），降低偶然事件发生概率，以保障结构安全。
      3.2结构抗连续倒塌的概念设计
　　间接设计的实质是一种概念设计，目的是通过加强结构整体性，提高结构的冗余度、延性和耗能能力，以提高钢框架结构抗连续倒塌的能力。
       3.2.1选择合理的建筑平面形式和布置
　　建筑平面宜简单、规则。“U”形和“L”形或狭长形等不规则平面布置的结构在偶然荷载的作用下，易产生严重的剪力滞后现象，耗能能力差。同时，对于抗连续倒塌能力要求高的结构，应避免平面布置出现凹角。
　　选择合理的梁跨和柱距，采用连续梁板结构，从而部分结构柱失效后梁仍具有一定跨越能力。在满足一般建筑要求的前提下，控制柱距在9m以内。
       3.2.2合理划分区域
　　存放易燃品的仓库和停车场等是偶然事件高发区，应使重要建筑物远离这些危险区域。在满足建筑物使用功能的前提下，合理设置沉降缝、伸缩缝和抗震缝将结构划分为具有不同使用功能的区域，限制偶然作下结构发生连续倒塌破坏的范围，以减小人员伤亡和财产损失。
　　同时，对于重要建筑物而言，应在周围设置安全防护隔离带，以流出足够的缓冲空间。紧急疏散口和楼梯的设置应尽量分散在建筑物不同区域，且避开结构薄弱区，使结构发生较大不利变形时仍能满足逃生和救援需要。
      3.2.3使用超静定结构增加结构冗余度
　　提高结构二次防御能力有效途径之一是使用超静定结构。通过超静定结构，提高结构竖向和水平受力体系的冗余度，在保证钢架结构体系有多重荷载传递路径的同时，也为结构提供更多可能的屈服位置，避免结构连续倒塌。
     3.2.4.确保侧向和竖向刚度变化均匀
     为避免结构竖向刚度不连续和柔弱层、薄弱层的出现，钢框架结构应避免在竖向作较大变动。抗侧力构件的强度和截面尺寸应自上而下逐渐减小，以免结构承载能力和抗侧力刚度突变。
     3.2.5采用自重较轻、延性好的材料
     文献[3]研究表明：选用延性好，质轻的材料应用于钢框架的梁柱节点，在避免发生脆性破坏的同时，能提高结构塑形变形能力和内力重分布的调整能力。
      3.2.6设置耗能装置
　　偶然荷载作用可以表现为对结构的冲击，对结构耗能能力提出了要求。在结构梁柱节点与支撑斜杆间，可设置偏心支撑（消能段）。正常荷载状态下，偏心支撑框架处于弹性状态并具有足够水平刚度；偶然荷载作用时，消能段首先屈服吸收能量，有效控制地控制了作用于框架结构和支撑斜杆上的荷载份额，使其不丧失承载力，从而保证结构不发生连续倒塌[2]。
　　在结构的某些非承重构件上设置耗能元件（阻尼器）等，通过元件材料的摩擦、剪切或塑形变形来消耗偶然荷载所产生的能量，以提高主体结构抗连续倒塌的能力。目前，这种元件在诸多新建建筑及既有建筑加固中得到广泛应用[4]。
       3.2.7设置水平分布柱间支撑或水平加强层
　　在文献[4]中，黄鑫等人利用ANSYS有限元软件，对4种不同支撑设置方式的钢框架模型进行动力非线性分析。结果表明：底层柱失效后，由水平支撑、梁、柱形成的平面桁架形成的水平加强层可以有效提高结构的整体拉接力，从而原失效柱承担的荷载传递至邻近柱，避免了结构构件因刚度下降而屈服，提高了结构的安全储备。
　　文献[5]研究表明，水平分布柱间支撑能大幅降低邻近破坏位置柱子轴力峰值，使得各柱
的轴力分配更趋均匀化。同时，合理布置水平支撑可一定程度提高主梁在常规荷载作用下的应力比限值，适当减小主梁截面以降低造价。

      3.2.8楼板影响和悬链线机制
　　在偶然荷载作用下，楼板的受力方向可能与正常使用情况下不同，且由于结构破坏时传力路径的改变，楼板的主受力方向也可能发生改变。悬链线机制是由梁内轴拉力提供承载力。楼板内分布钢筋提供的轴向拉结力也越大，结构在悬链线机制作用下 发生连续倒塌的可能性越小。钢框架结构中采用的楼板多为压型钢板组合楼板，在压型钢板槽口的垂直方向，设置具有足够锚固长度的通长钢筋，能一定程度上保证楼板的延性和主受力方向改变时的承载能力。
      3.2.9合理选择节点形式和关键构件保护
　　基于文献[6]的研究，在不计钢框架梁柱节点焊接缺陷的条件下，腹板削弱型节点和标准节点的延性较好。对梁段进行局部削弱是改善节点的受力性能，防止节点在偶然荷载作用下发生脆性破坏的有效途径。
　　为保护钢框架结构的关键受力构件，采取一些概念性的设计措施，使结构在遭受偶然荷载作用时，关键构件不会立即失效。文献[7]提出，钢构件外包防火涂层，钢框架柱外包混凝土防撞击，采用钢管混凝土柱等都能在一定程度避免结构发生连续倒塌。
4.结论与展望
　　鉴于钢框架结构发生连续倒塌时所表现出的几何非线性和材料非线性特性及对结构偶然荷载作用响应机理研究还不多，对结构抗连续倒塌进行直接设计还存在困难，同时也有一些问题亟待研究和解决：
　　（1）不同有限元软件有不同单元划分和分析方法，选择切合实际的有限元软件和分析方法是结构师必须考虑的问题。
　　（2）加强对结构尤其是钢结构抗连续倒塌概念设计的研究。如何在满足结构适用性、经济性的条件下提高结构的冗余度和坚固性，改善梁柱节点的连接和延性，都是值得研究的课题。
参考文献：
　　[1] 陈俊岭. 建筑结构二次防御能力评估方法研究[D].同济大学，2004.
　　[2] 陈绍蕃.房屋建筑钢结构设计 [M].西安: 中国建筑工业出版社,2007 ：202-203
　　[3] 魏艳红. 软钢耗能钢框架结构的抗震设计方法研究[D].东北林业大学，2007.
　　[4] 黄鑫，陈俊岭，马人乐. 水平加强层对钢框架结构抗连续倒塌性能影响[J]. 解放军理工大学学报（自然科学版）, 2012, 13（1）: 80-87.
　　[5] 马人乐，林国铎等. 水平分布柱间支撑对多高层钢框架抗连续倒塌性能影响[J]. 东南大学学报（自然科学版）, 2009, 39（6）: 1200-1205.
　　[6] 马人乐，黄鑫，陈俊岭.钢框架梁柱节点在结构连续倒塌中的性能分析[J].青岛理工大学学报, 2009, 30（2）: 34-35.
　　[7] 凤俊敏. 多层钢框架结构竖向连续倒塌的分析研究[D].东南大学，2009