基于刚度的空间网格结构重要构件判断方法

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1、第l章绪论1．1前言第1章绪论近几十年来，随着世界经济的高速发展，人们对高品质建筑环境、新型建筑空间的要求愈加强烈，大型空间结构正在各地蓬勃发展，已经广泛地应用到大型体育场馆、会展中心、歌剧院、机场航站楼等各类公共建筑之中⋯。这些建筑往往具有较高的重要性和安全等级要求，而现有空间结构设计主要注重结构的强度和稳定性、施工精确，对结构的抗连续倒塌能力分析较少，存在着一定的安全隐患。结构的连续性倒塌研究并不是一个新兴课题，最早可追溯到1968年英国RonanPoint公寓楼倒塌事故，该事故首次引起了研究人员的关注【2l。国外对连续倒塌问题的研究已有

2、四十余年，期间经历了1995年美国AlfredP．Murrah联邦人楼倒塌，2001年纽约世贸人楼倒塌等多起重人事故。在我国，连续性倒塌事故也常有发生，如2003年湖南衡阳一商住楼由于火灾导致5根柱子在高温中丧失了承载能力，引起3000多平米的人范围连续倒塌，2007年山西人同一居民楼由于天然气爆炸而导致部分居民楼倒塌等。2004年法国戴高乐机场顶棚倒塌、2005年德国巴特莱哈尔溜冰馆倒塌、2006年初莫斯科鲍曼市场屋顶坍塌等事故的接连发生，突显了大型空间结构连续性倒塌研究的重要性和紧迫性。图l-l美国纽约世贸大棱连续性倒塌事故1．1抗连续性

3、倒塌的定义、规范及研究成果1．1．1连续性倒塌的定义美国土木‘1：程协会在ASCE7．05中，把连续性倒塌定义为在正常使JI_{j条件下，由于突发事件结构发生局部破坏，这种破坏从结构初始破坏位置沿构件进行传递，最终导致整个建筑物倒塌或者造成与初始破坏不成比例的倒塌。英囡设计规范提供的另一种定义是在意外事什中，五层及五东南大学硕士学位论文层以上的建筑不应发生整体倒塌或发生与初始破坏原因不成比例的局部倒塌。文献【3】为了能更清晰地说明“连续性倒塌”的概念，采用图l-2所示的框图方式来定义连续性倒塌。从上述两种定义以及图1．2可以看出，连续性倒塌有

4、两个特征：一是结构发生连锁反应；二是破坏的“不成比例性”。圈l-2连续性倒塌判断框图英美规范对连续性倒塌定义的分歧在于这个不成比例性究竟与什么不成比例。美国土木工程师协会认为倒塌的不成比例性是指最终破坏的大小(通常用结构发生破坏的面积或体积占整个结构体系面积或体积的比率来衡量)与初始破坏的大小不成比例131；英国建筑规范则认为倒塌的不成比例性是指最终破坏的大小与造成最终破坏的原因不成比例[41。结合文献【4】，依据纽约世贸中心大楼倒塌事故分析，美国土木工程师协会的定义更为严谨。德国学者UweStarossek对结构的连续性倒塌采用分类总结的方

5、法进行研究，根据整体结构在倒塌过程中的力学性能的不同，即连锁反应的发生方式不同，大致可分为烤薄饼型(Pancake-typecollapse)、拉链型(Zipper-typecollapse)、多米诺骨牌型(Domino-typecollapse)、失稳型(Instability-typecollapse)、混合型(Mixed-typecollapse)I，J。参照文献【6】可知，结构连续性倒塌的实质为当结构承载模式或边界条件发生变化时，结构内部分单元超出承载能力而失效，原来的荷载进行重新分布，剩余结构必须寻找新的荷载传递路径，导致剩余构件承

6、载条件发生变化，进而引发部分构件失效并引起新一轮的荷载重分布。这个过程一直持续到结构找到新的平衡状态，即卸掉因单元失效而产生的荷载或找到新的稳定荷载传递路2第l章绪论径为止。1．1．2抗连续性倒塌设计规范1．美国规范美国混凝土规范ACI318．02161虽然没直接提供防止结构发生连续性倒塌的设计方法，但有规定：钢筋在支座处应连续贯通；钢筋搭接的具体位置和要求；钢筋端部做成弯钩；预制装配结构应在建筑周边的纵向、横向、竖向进行拉结等：上述规定可以有效保证结构各构件之间的拉结连接，改善构件的延性和结构的整体性，有效提高结构的抗连续性倒塌能力。美国公

7、共事务管理局发表了专门用于防止结构发生连续性倒塌的设计规程GSA2003【7l。该规范的设计流程是：1)综合考虑建筑的用途、使用年限、构造等多方面因素，判断该建筑发生连续性倒塌的风险程度，2)若倒塌的风险较低，可免于分析，否则应采用拆除构件法对结构的抗连续性倒塌能力进行评估。该规范还指出：10层和10层以下的建筑，可采用线弹性进行分析，用屈强比(DCR)作为破坏准则；10层以上的建筑和不规则的建筑，必须用非线性分析，用塑性铰转动和位移的延性比作为破坏准则。除上述以外，规范还建议从结构的冗余度、延性、连续性和考虑反向荷载作用等方面进行概念性的设

8、计，以此来提高结构的抗连续性倒塌能力。美国国防部制定了<建筑抗连续倒塌设计》(DOD2005)pl，该规范的基本设计方法是将建筑划分为极低、低、中、高四个安全等级，