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摘要：我国结构发生倒塌的事故常有发生，与国外相比，我国抗连续性倒塌的研究起步滞后，且因为经济发展水平的原因，我国结构体系冗余度小、可靠度偏低。因此我国应更重视结构抗连续性倒塌设计，避免不必要的灾害。本文进一步分析了大跨度钢结构的抗连续性倒塌设计，以供同仁参考借鉴。
关键词：钢结构；大跨度；连续性倒塌；抗倒塌设计
一、结构抗连续性倒塌设计要求
结构抗连续性倒塌设计是要求结构遇到偶然作用时有足够的耗能能力，主要包括延性、冗余度和连续性。当结构发生局部破坏时，荷载能有效的传递到剩余结构，并且要求剩余结构有足够的承载冗余荷载的能力，使结构仍能保持整体稳定性。根据国外对结构抗连续倒塌的研究，并结合我国结构的实际情况和我国现阶段的经济发展水平，对抗连续倒塌设计提出了以下常用的设计方法，主要分两类: 间接设计法和直接设计法。
间接设计法是从全局考虑再细化，使设计合理、结构传力有效和连续以及承载能力有冗余，主要包括: （1）通过合理的优化结构布置，使结构受力趋向更合理，减少结构的薄弱部分和薄弱度，提高结构的抗破坏能力；（2）加强结构的构造连接，使结构发生局部破坏时能将冗余荷载有效的传递到周边构件，减小单个构件的荷载作用；（3）使结构有足够的冗余度，保证结构构件能承受冗余荷载，并能将冗余荷载传递到周边构件上，减轻单个构件的负荷，不至于发生各个击破；（4）采用延性良好的新材料，提高结构的变形和耗能能力，避免产生脆性破坏；（5）梁和楼板的悬链线作用可以适当采用；（6）考虑荷载对结构反方向的作用；（7）使结构墙能承受横向荷载。
二、结构抗连续性倒塌设计方法
2.1概念设计法
概念设计法主要从结构体系的整体性、结构冗余度、结构延性、结构耗能以及结构细部构造特征等方面来考虑结构布置。由于结构遭受灾害和偶然作用的发生概率相对较小，而真正实现概念设计法概念设计法主要从结构体系的整体性、结构冗余度、结构延性、结构耗能以及结构细部构造特征等方面来考虑结构布置。由于结构遭受灾害和偶然作用的发生概率相对较小，而真正实现结构抗连续性倒塌设计的代价往往很大，因此对一般的建筑结构只须进行结构抗连续性倒塌的概念设计即可，但是对于重要的建筑结构宜按相应的方法进行结构抗连续性倒塌的设计，因此概念设计法是目前结构抗连续性倒塌设计中采用的主要方法。
2.2拆除构件法
拆除构件法即是对结构的构件进行移除，然后对剩余结构体系进行抗连续倒塌分析，获得构件抗力需求后进行设计。它包括线性静力拆除构件法、线性动力拆除构件法、非线性静力拆除构件法、非线性动力拆除构件法，静力分析主要采用动力放大系数考虑结构的动态效应，动力分析使用时程分析考虑其效应，由于动力放大系数的设定具有经验性，因此，对结构进行连续倒塌分析时需考虑荷载的动力重分布，其准确度较高。对于按照非线性动力拆除构件法对柱拆除后，若剩余框架结构发生连续倒塌，则重新对由被拆除柱直接支承的框架梁进行配筋，然后再进行拆除构件分析，若仍然发生连续性倒塌，则继续增加其配筋，直到该结构不再发生连续倒塌为止。
2.3拉结构件设计法
拉结构件设计法是在结构发生局部竖向结构构件失效的条件下，可根据具体的条件分别按梁—拉结模型、悬索—拉结模型和悬臂—拉结模型进行承载力验算分析，维持结构的整体稳定性。而当偶然事件产生特大荷载时，按效应的偶然组合进行设计以保证结构体系完整无缺的代价往往太高。此时，拉结构件设计法允许爆炸或撞击造成结构的局部破坏，在某个竖向构件失效后，应使其影响范围仅限于局部。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆按新的结构简图采用梁、悬索、悬臂的拉结模型继续承载受力，按整个结构不发生连续倒塌的原则进行设计，从而可避免结构的整体性倒塌。
2.4关键构件法
关键构件法是对某一构件破坏后容易引发结构的连续倒塌，则需单独对该承重构件进行设计与加强，以此确保该构件遭受意外荷载后，结构发生延性破坏，使结构的抗连续倒塌性能得到提升。
三、大跨度钢结构的抗连续性倒塌设计理论分析
3.1结构的鲁棒性
传统设计在方法上存在重计算而轻概念、重构件计算而轻结构设计等误区，即忽视了结构层面所需的抵抗连续性倒塌的鲁棒性要求。结构鲁棒性主要是指结构构件分布拓扑关系的稳健性，是以避免结构垮塌为目标的整体结构安全性。与结构安全性相比，鲁棒性强调的是结构中构件分布的拓扑关系合理性，侧重于在局部突发损伤状态下保证系统安全的能力。因此，对于具有相同安全性的建筑结构，鲁棒性的优劣是决定结构能否抵御连续性倒塌的关键，特别是对依赖形态作用的大跨度空间结构。在过去，结构鲁棒性往往依靠结构工程师对结构整体性能的把握和判断，通过加强局部关键构件等方式得以保证。然而随着建筑结构倒塌事故的频发，迫切地需要建立定量评估结构鲁棒性的方法。现阶段，面向广义受损结构的鲁棒性理论研究，无论是基于失效概率，基于不确定信息熵，基于结构易损性理论，还是基于决策分析，都还处于探索阶段，没有形成统一的理论。而应用于设计，体现在各国规范中的定量计算通常是对构件应力和变形的计算，又使问题重新回到倒塌过程的数值模拟手段上来。从原理上讲，基于结构吸收能量的方法能更好地解释结构作为整体抵抗连续性倒塌的能力。能量平衡原理认为忽略系统阻尼的耗能影响时，倒塌过程中的外力作功将完全转化为结构的变形能与动能。因此，若能判定存在外力功与结构变形能相等的状态，则说明结构可以抵抗外力荷载的作用而不发生进一步的破坏，即结构可以抵抗连续性倒塌，该方法根据框架结构所具有的层次结构特征，根据结构布置、荷载分布等信息将对体系的评估简化到对子结构的评估，有效地减小了工作量。通过比较不同子结构层次的伪静力荷载-位移曲线上的峰值与实际荷载的大小完成承载能力评估，比较实际荷载对应的位移与结构允许变形限制完成变形性能的评估。实际上，伪静力荷载-位移曲线就是一种倒塌谱。
3.2构件的重要性
从结构工程应用的角度考虑，研究系统中构件的重要性是较为简单的处理方法。如果某根构件的失效比较容易引起结构大范围的破坏，则该构件在结构中至关重要，其存在增加了结构的易损性。反之当结构中不存在个别突出重要的构件时，结构具有较好的鲁棒性。这样，对结构整体性能的评价就从基于鲁棒性的整体考量转移到了基于构件重要性的构件布置问题上来。从概念上讲，两者都是各国规范中线弹性拆除构件法流程的简化方法，故将线性模型分析结果推广至非线性实际结构的实用性仍需研究。也有采用经验和理论分析相结合的判断方法，采用“专家打分”的方式确定影响构件关键系数的各个分项因素权重，虽具有较好的工程实用性，却由于缺乏充足的统计数据和原始资料，导致关键系数的计算过于依赖人的主观干预。
结束语
由于大跨度刚结构抗连续性倒塌的设计难度大，可借鉴的经验少，广大工程设计人员应在利用结构知识和设计原理的基础上，充分考虑结构抗连续性倒塌设计的经济效益，并对结构体系的组成方式、受力特征、构造要求等有深入的理解后才能设计出既安全又经济的工程，并根据具体条件对抗连续性倒塌的设计方法进行适当的选择，把抗连续倒塌设计同抗震设计一样始终贯穿于整个设计过程中。
参考文献
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[2]刘运．框架的抗连续倒塌设计[J]．工程技术，2014（26）．
[3]李晓婷．结构连续倒塌分析与设计方法综述[J]．城市建设理论研究，2015（17）．
论文作者:封新华
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/3/28
标签：结构论文; 构件论文; 连续性论文; 荷载论文; 冗余论文; 发生论文; 方法论文; 《基层建设》2017年第36期论文;