Posted on October 20th, 2010 by Guch

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朱炳寅等,莫斯科中国贸易中心工程防止结构连续倒塌设计
  发表日期:2011-1-11

莫斯科中国贸易中心工程防止结构连续倒塌设计

朱炳寅 任庆英  胡北 胡纯炀

(中国建筑设计研究院  北京100044)

【提要】 建筑抗倒塌问题近年来在欧美国家得到广泛关注。结合莫斯科中国贸易中心工程的防止结构连续倒塌设计,比较了国外一些相关设计规范和标准之间的相互关系,提出满足俄罗斯规范要求的防止连续倒塌设计计算方法,并将其与正常情况下的结构计算进行比较,找出其中带规律性的问题。

【关键词】 结构的整体坚固性  构件的需供比  转变途径法  局部抗力增强法

Design of the China Trade Center Building in Moscow to Resist Progressive Collapse/Zhu Bingyin, Hu Bei,Hu Chunyang (China Architecture Design & Research Group, Beijing 100044, China)

Abstract:In recent years, the methodology of progressive collapse prevention for building was widely concerned in Europe and United States engineering community. The China trade center building in Moscow is 180m at its highest point, according to Russian codes of building to resist progressive collapse, the tall buildings of No2 plot and No3 plot are need to design for avoiding progressive collapse. A series key design problems of the buildings are introduced, including fail models of structural members, design methods, key-points of calculation, the basic demands of USA codes and economic analysis.

Keywords:structural robustness;demand and capacity ratio;alternate path method;improving the specific local resistance method

1   工程概况

莫斯科中国贸易中心工程,位于俄罗斯联邦莫斯科市(抗震设防烈度与我国6度相当),横跨威廉匹克大街,紧邻规划四环路和城市轻轨及地铁6号线的BOTANICHESKY SAD站,是集办公、商业、公寓及中国园林为一体的综合建筑群,总建筑面积20万m2。按功能和区域将总平面地块划分为三个地块,其中2#地块地下2层、地上40层,建筑高度180m,钢筋混凝土框架-核心筒结构(结构平面示意见图1);3#地块地下2层,地上22层,建筑高度87m,钢筋混凝土框架-剪力墙结构。工程按俄罗斯规范要求需采取防止连续倒塌措施。

(a)转换层顶平面                                   (b)转换层以上平面

图1  2#地塔楼结构布置平面图

2   国外防止连续倒塌设计的要求

911以来,紧急情况(如:地震、风灾、爆炸、撞击和高温等)下结构的防止连续倒塌设计正受到更多的关注,有关国家相继制定有相关的法律法规。

2.1 俄罗斯防止连续倒塌措施的相关规定[1]

(1)高度超过75m的高层建筑,均应进行结构的防止连续倒塌验算。验算的目的是为了防止高层建筑在自然紧急状态(源自气候条件或地质变化等)或人为紧急状态(建筑内部或外部由于火灾或其他灾难性情况发生)下,一旦部分承重结构受到破坏后,破坏会逐步扩大,使建筑发生连续倒塌。

(2)建筑物防止连续倒塌的整体坚固性(Robustness),应根据结构计算确定。

(3)当发生局部破坏时,建筑的整体坚固性计算应考虑相应的荷载组合(含永久荷载和活荷载等)要求。局部破坏应满足下列要求:破坏发生在墙肢上,且从两组墙的交接点到最近的洞口或下一个交接点的距离小于10m时;局部破坏发生在柱上或与同层墙体相连的柱上;局部破坏发生在同一层楼板上;以上局部破坏的受荷面积均不应超过80m2。对建筑抗连续倒塌整体坚固性的评估,应根据上述局部破坏的最大效应确定。

(4)对于紧急状态,需根据规范要求验算承载能力极限状态,不要求验算裂缝、变形等正常使用极限状态。抗力计算须采用荷载标准值。

(5)效应计算应使用空间计算模型,将所有结构构件考虑在内,模拟建筑投入使用后局部承重构件发生损害时荷载的重分布及破坏情况。

(6)防止建筑发生累计损害的主要措施有:结构应有较多的冗余度,以保障柱、横梁、隔板、节点的承重能力;连续加强配筋;提高结构构件和节点的延性。在允许范围内提高结构的延性可有效阻止结构破坏的继续扩大,即当某些承重构件发生破坏时,可以有较大的变形而不至于立刻失去所有的承载能力。因此在设计时应增加配筋或采用其他延性材料,加大连接件强度及韧度。高层建筑应尽量采用现浇结构,当采用非承重预制构件时,应采用与承重结构连接牢固性好、可靠性高的预制板材。楼板与柱、梁、隔板的相连处应能保证上层楼板坍塌时支撑住上层楼板,而不掉到下层楼内。连接处的承重能力应为半个跨度的楼板与结构构件的重量(D+0.25L)。

2.2 GSA导则[2]

美国公共事务管理局(General Service Adminstration )于2000年制订了连续倒塌的分析与设计导则(GSA Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines)。

(1)要求多层房屋的设计应进行以下突发事件的检验。即多层房屋在首层去掉一个主要支承后,不应导致上部结构的倒塌。这个主要支承包括:地面以上一层临近房屋短边或长边中部的一根柱或一段9m的承重外墙;地上一层任何一根角柱或沿房屋转角各4.5m的两段外承重墙;地下车库中一根柱或一段9m的承重外墙。

(2)对延性差的结构,考虑动力系数2,按2(D+0.25L)进行验算(其中:D为永久荷载标准值,L为活荷载标准值)。

(3)强调结构设计应使结构具有更好的坚固性,以减少连续倒塌的可能性。结构应具有多赘余度和多传力途径(包括竖向荷载及承载力);构件应具有良好的延性,保证变形远远超过弹性极限时还能有一定的承载能力;要考虑相邻构件的破坏,应有足够的反向受力承载力;构件应具有足够受剪承载力,保证不产生剪切破坏。

2.3 NYC规定[2]

美国NYC建筑法规第18章提出两种防止连续倒塌的途径。

1.转变途径法(Alternate Path Method)。即当结构失去某一关键构件时,通过转变受力途径仍能承受相应的荷载组合(即能确保结构的稳定,而不发生连续倒塌)。这里的关键构件指:一个单独楼板或两个相邻墙段形成的墙角,一根梁及其从属范围的楼板,一根柱或其他影响结构稳定的结构构件。计算要考虑的荷载组合为1.0D+0.25L和1.0D+0.25L+0.2W,其中:W为风荷载标准值。

2.局部抗力增强法(Specific Local Resistance Method)。即对结构设计中不能破坏的结构构件,控制构件的需供比DCR(Demand-Capacity Ratio)≤2,并采用增加构件承载力的方法,确保在紧急情况下构件具有较大的强度储备,以保证结构的稳定。

DCR=≤2                (1)

式中:为在紧急情况下按弹性静力分析求得的构件或节点承受的内力;为构件或节点预期的极限承载能力,计算时,考虑瞬时作用对材料强度的提高系数(钢材取1.05,钢筋混凝土取1.25)。

此时荷载组合取2(D+0.5L+0.2W)。构件的荷载总值(2(D+0.5L))不应小于36

2.4 DOD导则[2]

美国国防部(DOD)于2001年发表了防连续倒塌暂行设计导则。

(1)要求进行去掉一个主要承重构件或一个主要抗力构件的结构反应分析。对于一般住宅类建筑,去掉的限于房屋周边的主要承重构件;考虑有可能在房屋内部发生爆炸时,要去掉的构件包括外部及内部的主要承重构件。

(2)对于框架结构,去掉任一层的一根柱,则与该柱相接的所有填充墙和梁均被去掉;去掉任一层的一根梁,则被去掉梁上部的填充墙均被去掉。对于无梁楼盖体系,去掉整跨楼盖也就是去掉四根柱所包围的楼盖。

(3)对于承重墙结构,去掉长度为两倍墙高(墙高定义为水平方向支承之间的竖向距离)的一段墙,且该墙长度不应小于伸缩缝或控制缝之间的距离。在转角处沿两个方向的长度均应满足以上要求。若墙有与其相连的竖向承重构件,则去掉的长度可取竖向承重构件之间的实际距离。当采用无梁楼盖时,去掉楼盖的面积,其宽度为被去掉墙的长度,其长度为从去掉墙段到相邻内承重墙的距离。

(4)对支撑-框架结构,去掉一根柱或一根梁类似框架结构。沿柱列设置赘余的支撑,当在某跨失去一根柱或梁将不会导致房屋其余部分建筑的倒塌。

(5)对框架-剪力墙结构,参照以上体系,适当地去掉墙、柱、梁或板进行分析。

3   防止连续倒塌的分析方法[2]

DOD导则规定,防止连续倒塌设计计算可采用二维或三维静力、线弹性或非线性结构分析。

采用线弹性方法时,如构件的受弯承载力超限,则认为该处出铰,放松其转动自由度,出铰处弯矩保持不变,修正结构刚度重新进行计算分析;如构件的受剪承载力超限,即认为该构件失效,失效构件在新的模型中去掉。当某一失效构件去掉后,与该构件有关的静荷载或活荷载必须重新分配给同一层的其他构件,其他荷载如冲击力等还应分配到下一层构件中。

非线性分析只需要一次完成,当超过构件的受剪承载力或超过了构件的变形极限时,认为构件失效,在继续分析之前将失效构件从模型中去掉。

4   莫斯科中国贸易中心防连续倒塌设计

4.1 工程防止连续倒塌的基本要求

参考上述文献,对工程设计提出以下要求:1)采用抗连续倒塌性能比较好的钢筋混凝土框架-剪力墙(或框架-核心筒)结构体系;2)采取周边支承的钢筋混凝土现浇楼板、楼板钢筋采用焊接及其他有效锚固、加强梁柱节点连接等措施,当发生紧急情况时,具有很好的悬挂作用,抗连续倒塌性能好;3)对不利于抗连续倒塌的转换桁架及其支承柱采用坚固性较强的钢结构和钢骨混凝土结构,对角柱采取加强措施,确保当发生紧急情况时,具有很好的抗连续倒塌作用;4)采用ETABS程序进行满足俄罗斯规范要求的防连续倒塌计算;5)控制构件的需供比DCR≤2 ;6)结构构件的配筋(或钢构件的截面),取正常情况下(1.2D+1.4L+0.2W或1.35D+0.98W)与紧急情况下防连续倒塌计算的较大值;7)工程设计不考虑由于气候条件或地质变化而引起的自然紧急状态。

4.2 防倒塌计算方法

1. 对于角柱、2#地6层以下钢转换桁架及支承转换桁架的8根大柱等结构设计中不可局部破坏的重要部位和构件,采用局部抗力增强法进行防倒塌计算。要点如下:1)特殊情况下的荷载组合,取2(D+0.5L+0.2W);2)构件的竖向总荷载不小于36;3)材料强度仍采用设计强度;4)考虑梁柱节点影响,可取支座边缘截面进行结构的强度计算;5)核心柱或SRC柱的型钢,按承受框架角柱(或底层大柱)的全部重力荷载(1.0D)计算(考虑材料强度的提高系数,钢筋、钢板及混凝土均取1.1)。

2. 对于采用局部抗力增强法进行设计以外的其他所有区域和构件,采用转变途径法进行防倒塌计算。要点如下:1)荷载组合按(D+0.5L+0.2W)考虑,不考虑地震作用;2)采用荷载效应的标准组合(含永久荷载和活荷载,不考虑超载系数);3)抗力计算中,材料强度取用标准值;4)结构计算采用空间计算模型的线弹性分析方法;5)考虑结构及构件的塑性内力重分布;6)只进行结构或构件的承载力计算,不考虑挠度及裂缝问题;7)破坏位置取可能破坏的平面中的最下面楼层(即竖向荷载最大的楼层);8)考虑梁柱节点影响,取支座边缘截面进行结构的强度计算;9)防倒塌计算中需要考虑的结构局部构件破坏情况见表1。

   结构局部构件破坏的情况                 表1

 

序号

破坏构件

局部破坏情况

局部破坏面积

1

同一楼层两片相交的剪力墙

有洞口

从墙交接处到离最近的洞口边

且墙长≤10m

<80m2

无洞口

从墙交接处至下一墙肢相交处

2

柱子破坏,与之相连的梁失效,失去相应的支承作用

3

梁破坏,失去相应的支承作用

4

楼板

楼板的破坏,考虑楼板的悬挂作用

 

4.3 转变途径法的应用实例

以2#地塔楼为例(见图1),说明考虑防倒塌设计的结构构件的设计计算要点。

1.楼板失效

楼板失效时,考虑楼板的悬挂作用,楼板的通长配筋应满足:

            (2)

式中P为阴影区楼板总荷载,按(D+0.5L)计算;为钢筋强度设计值。

2.周边框架柱(柱B)失效

在正常情况下,楼板为周边支承的双向板。在紧急情况下,由于柱B的失效,导致相应梁支承的缺失,楼板的传力途径发生改变,楼板变成由墙A、梁A三边支承,在阴影范围内(影响面积≤80m2)楼板变为短边支承的单向板(图2)。防倒塌计算应重点考察结构的整体稳定、墙A、柱A、梁A的承载能力,及楼板的悬挂作用等。

(1)考虑柱B失效时,框架梁A的梁端(与柱A相交处)允许出现塑性铰但不能失效(不发生剪切破坏),梁端截面及箍筋配置应满足抗剪承载力要求,同时梁端截面满足锚固长度的全部纵筋应满足下式要求:

≤0.75          (3)

式中V为考虑柱B失效由相应荷载(D+0.5L+0.2W)产生的梁端剪力。

(2)框架梁A的跨中设计弯矩,均不得小于按简支情况(按紧急情况计算)计算弯矩的80%。

(3)钢筋混凝土剪力墙、框架柱、框架梁、楼板等的配筋,取正常情况下与紧急情况下防连续倒塌计算的较大值。

(4)考虑楼板的悬挂作用同上。

图2 边柱(柱B)失效后的楼板传力途径

3.中梁(梁B)失效

在紧急情况下,由于梁B的失效,导致相应楼板支承的缺失,楼板的传力途径发生改变,楼板变为由墙A、梁A和梁C支承的大双向板(图3)。防倒塌计算应重点考察结构的整体稳定、墙A、柱A、柱B、梁A、梁C的承载力,及楼板的悬挂作用等。相关计算要求同上。

图3 中梁(梁B)失效后的楼板传力途径

4. 边梁(梁C)失效

在紧急情况下,由于梁C的失效,导致相应楼板支承的缺失,楼板的传力途径发生改变,楼板变为由墙A、梁B和梁C支承的三边支承板(图4)。防倒塌计算应重点考察结构的整体稳定、墙A、柱A、柱B、梁A、梁B,及楼板的悬挂作用等。相关计算要求同上。

图4 边梁(梁C)失效后的楼板传力途径

5. 剪力墙失效的计算参照柱。

5  防倒塌设计计算结果的比较及结论

紧急情况下与正常情况下相关构件的承载力需求比较见表2。

    紧急情况下与正常设计情况下相关构件的配筋比较   表2

 

计算方法及模型

紧急情况下与正常设计情况下相关构件的配筋或截面比较

 

转变途径法

边柱(柱B)失效

梁A

配筋基本不增加

柱A

柱稳定有保障,配筋没有增加

楼板

不起控制作用

中梁(梁B)失效

梁A、梁C

配筋没有增加

柱A、柱B

柱稳定有保障,配筋没有增加

楼板

不起控制作用

边梁(梁C)失效

梁A、梁B

配筋没有增加

柱 A、柱B

柱稳定有保障,配筋没有增加

楼板

不起控制作用

剪力墙局部失效

剪力墙

由于剪力墙分布较均匀,局部破坏对其影响不大

局部抗力增强法

转换层以上的角柱

配筋约增加30%(设置型钢后可相应减小)

桁架上弦

边弦杆增加27%,中弦杆增加31%

桁架下弦

边弦杆增加62%,中弦杆增加27%

转换层以下的角柱

增加不明显

         

 

6  结论

(1)对一般结构构件采用转变途径法进行防止结构连续倒塌设计是可行的,就该工程而言,考虑各种局部破坏情况时,基本不增加费用(增加的仅是构造设计费用);对结构设计中不能破坏的特殊结构构件(如部分角柱、框支柱、框支梁等),可采用局部抗力增强法,其结构的单位费用相对增加较多,但此类构件数量较少,总费用增加不大;工程初步统计结果表明,防止结构连续倒塌设计增加的费用不超过结构费用的5%。

(2)对于不同的结构形式,防止结构连续倒塌设计所增加的费用各不相同,采用受力简单明确的结构体系,能极大增强结构的防止连续倒塌能力,减少结构费用。合理确定柱间距(不能太大,但太小时也易造成多根柱同时失效),剪力墙应尽量设置翼墙,避免采用孤独墙肢,同时还应避免出现大跨、框支等结构形式。

(3)防止结构连续倒塌设计费用增加的幅度还与原结构的设计标准有关,原结构的设计标准越高(如为强震区建筑时),则增加费用越低或基本不增加。

(4)对重要的高层建筑,建议应考虑结构的防止连续倒塌设计。

(5)防止结构连续倒塌设计还需在工程实践中不断补充完善。

致谢:参加本工程结构设计的还有任庆英、陈富生、施泓、王树乐、宋力、周岩、彭翼、席志刚等同志,在此深表感谢!

参考文献

[1] 俄罗斯防止连续倒塌措施(MTCH-19-05,附件6.1).

[2] 胡庆昌等.建筑结构抗震减震与连续倒塌控制.北京:中国建筑工业出版社, 2007.

[3] 徐培福等.复杂高层建筑结构设计.北京:中国建筑工业出版社, 2005.