張照閃

河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，中國(guó)·河北 邯鄲 056038

1 引言

工程結(jié)構(gòu)在偶然極端荷載（如撞擊、爆炸等）的作用下可能會(huì)由于局部破壞而引起整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌，造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失以及惡劣的社會(huì)影響。1968年英國(guó)倫敦Ronan Point 公寓由于爆炸導(dǎo)致上部構(gòu)建不斷墜落撞擊下部構(gòu)建從而造成結(jié)構(gòu)大面積連續(xù)性倒塌，使人們首次認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌問(wèn)題的嚴(yán)重性；1995年的美國(guó)Alfred P.Murrah聯(lián)邦大廈由于爆炸導(dǎo)致大廈底層柱失效而引發(fā)的連續(xù)倒塌，進(jìn)一步促使人們對(duì)結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的關(guān)注；2001年美國(guó)世貿(mào)中心雙子塔受飛機(jī)撞擊發(fā)生連續(xù)倒塌，將連續(xù)性倒塌問(wèn)題的研究推向了高潮。

2 連續(xù)性倒塌的概念

對(duì)于連續(xù)性倒塌的概念，各國(guó)說(shuō)法雖略有不同，但表述內(nèi)容基本一致。下面是幾種被普遍認(rèn)同的說(shuō)法。

中國(guó)一般說(shuō)法：結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌是指結(jié)構(gòu)因偶然荷載造成結(jié)構(gòu)局部破壞失效，繼而引起與破壞失效構(gòu)件相連的構(gòu)件連續(xù)破壞，最終導(dǎo)致相對(duì)于初步破壞更大范圍的倒塌破壞。

英國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范定義：結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌是一種由于原結(jié)構(gòu)承載模式或邊界條件發(fā)生變化導(dǎo)致剩余結(jié)構(gòu)在荷載和內(nèi)力重分布后缺少可替代的荷載傳遞路徑進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)破壞的連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致產(chǎn)生與初始破壞不成比例的大范圍破壞現(xiàn)象。

美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)定義：在正常使用條件下由于突發(fā)事件的發(fā)生導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生初始局部破壞，破壞從結(jié)構(gòu)初始破壞位置沿結(jié)構(gòu)傳遞，最終導(dǎo)致建筑物的整體倒塌或者造成與初始破壞部分不成比例的倒塌。

3 國(guó)際上的研究現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌試驗(yàn)主要基于拆除構(gòu)件法，按照不同的加載方式，可分為靜力試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn)。靜力試驗(yàn)?zāi)軌虻玫浇Y(jié)構(gòu)倒塌抗力和抗倒塌機(jī)制，材料損傷逐漸演化過(guò)程的連續(xù)變化規(guī)律，但是倒塌過(guò)程中動(dòng)力效應(yīng)的影響被忽略。動(dòng)力試驗(yàn)可以獲得固定重力荷載下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，但在有限試驗(yàn)數(shù)量的限制下只對(duì)部分結(jié)構(gòu)損傷和動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)。因此兩類研究的目標(biāo)不同，但對(duì)于了解結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌機(jī)理都具有研究意義。

3.1 連續(xù)倒塌的理論研究

Izzuddin 等[1]提出框架提供了一種評(píng)估不同結(jié)構(gòu)理想化水平下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的實(shí)用方法，它將影響穩(wěn)定性的因素的討論從泛泛而談轉(zhuǎn)向了量化。Vlassis 等[2]介紹了一種面向設(shè)計(jì)的多層建筑連續(xù)倒塌評(píng)估方法的新原理。在拱起力矩區(qū)域上方的板中提供額外的鋼筋通常可以對(duì)動(dòng)荷載承載能力和變形能力產(chǎn)生有益的影響。

3.2 連續(xù)倒塌的試驗(yàn)研究

Yang 和Tan[3]介紹了在中柱拆除情況下常見(jiàn)類型螺栓連接鋼梁柱節(jié)點(diǎn)性能的七個(gè)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，腹板螺栓連接在形成懸鏈線作用方面具有最佳性能。舒興平等[4,5]探究關(guān)鍵構(gòu)件失效過(guò)程中節(jié)點(diǎn)位移及相關(guān)構(gòu)件內(nèi)力變化情況。并采用拆除構(gòu)件法分別拆除角柱、短邊中柱、長(zhǎng)邊中柱和內(nèi)中柱，采用經(jīng)驗(yàn)證的能力評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌能力評(píng)價(jià)。

Li 等[6]進(jìn)行了鋼梁柱結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌試驗(yàn)，考慮了焊接連接與螺栓連接兩種梁柱連接方式。完海鷹和鄭曉清[7]對(duì)半剛性節(jié)點(diǎn)鋼框架的模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。Sadek 等對(duì)鋼框架梁柱子結(jié)構(gòu)分別采用無(wú)加強(qiáng)筋焊節(jié)點(diǎn)和狗骨節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，狗骨節(jié)點(diǎn)的延性高于無(wú)加強(qiáng)筋焊節(jié)點(diǎn)，并且狗骨式節(jié)點(diǎn)懸鏈線效應(yīng)更為明顯。

3.3 連續(xù)倒塌的數(shù)值模擬研究

Liu 等通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值分析研究了梁柱節(jié)點(diǎn)在突然脫柱情況下的動(dòng)力性能。研究了腹板角鋼鋼梁柱節(jié)點(diǎn)在連續(xù)倒塌條件下的動(dòng)力性能。利用通用有限元軟件ABAQUS 進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了三維有限元模型，進(jìn)行了參數(shù)研究。Yang 等采用了6 種連接方式進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)解算器比顯式動(dòng)態(tài)解算器能預(yù)測(cè)更精確的仿真結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

大量試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌破壞模式分為梁機(jī)制階段和懸鏈線機(jī)制階段。鋼結(jié)構(gòu)在大變形下全截面受拉承載力較高，只要節(jié)點(diǎn)變形能力足夠，鋼結(jié)構(gòu)可以在懸鏈線機(jī)制下提供顯著的連續(xù)倒塌抗力，梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式是鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌破壞模式的決定性因素。