本文授权转载自公众号结构技术研究室

作者：蒋瓅

01防倒塌设计

我国的结构抗倒塌设计，最早还要追述上世纪70年代就已提出的“大震不倒”的抗震设计基本准则，根据二阶段的设计要求，主要从限制结构变形和采取必要的抗震构造措施来实现，主要属于概念设计范畴。

而随着“9·11”恐怖事件、“5·12”汶川大地震的发生，房屋倒塌所造成的巨大危害和负面影响被进一步认知，结构连续倒塌的概念和防连续倒塌的设计方法也得到了更多关注。

“9·11”恐怖事件（左）；“5.12”汶川大地震（右）

结构连续倒塌，指结构在偶然荷载（如强震、撞击、爆炸、火灾等非常规荷载）作用下发生局部破坏而形成初始损伤，导致结构发生内力重分布而形成连锁反应，最终致使结构部分或全部倒塌。连续倒塌一旦发生，往往会造成很严重的生命财产损失。

02钢结构抗倒塌需求

钢结构在大跨、复杂空间结构中有广泛应用，随着形体造型艺术的不断提升，以及建筑功能要求的不断增加，实际工程往往存在跨度大、布置不规则性强、长细比较大等问题，可能会造成结构抗倒塌能力的不足，需要进行特殊的安全性验证。

对近年来钢结构倒塌事故进行梳理，发现大跨厂房、复杂公建的倒塌占多数，造成倒塌的原因有撞击爆炸、火灾、过载、局部缺陷、施工不当等。这些工程事故，是钢结构抗倒塌设计的指导和依据。

体育场施工不当致局部坍塌（左）；在建厂房倒塌（右）

03抗连续倒塌设计方法

国内外规范给出的抗连续倒塌设计方法有：概念设计法、拉结强度设计法、拆除构件法、关键构件设计法。其中，拆除构件法的可操作性最强，主要通过拆除某个构件，分析剩余结构的响应，来评估结构的抗倒塌能力。

初始损伤所在的构件、以及其他重要构件，可作为待拆构件。

04待拆构件的选择

虽然结构中的所有构件都可能受偶然荷载作用而形成初始损伤，并非每个构件失效都会引起连续倒塌，对所有构件都进行拆除分析还会极大降低分析效率。所以，需要采用合适的方法选取待拆构件。

实际工程中，概念判别和敏感性分析结合的方法应用较多。前者是通过结构体系、传力体系、受力情况分析进行构件初选；后者则是通过软件计算进行敏感性分析，量化杆件的重要性。

如以下某大悬挑钢结构案例中，首先通过概念判断，筛选出西南侧连廊部位、东侧电梯井部位、北侧悬挑部位等几个主要支承区域内的重要构件。

整体结构模型

连廊西侧边榀桁架初选重要构件

随后，对这些重要构件进行敏感性分析，得到各构件的重要性系数。重要性系数计算公式如下：

式中，αj为拆除构件j的重要性系数；n为构件数量；Sij为结构中任意构件i对应于构件j移除的敏感性指标；γ、γ’分别为正常情况下、结构受损后构件i的响应。

利用通用有限元软件建立模型，施加竖向荷载，材料强度采用标准值，分别进行正常情况下和结构受损后（拆除构件j），各构件响应的数值，就能算得构件j的重要性系数。本案例中，构件响应选用了应力比进行计算。

下表是连廊西侧边榀桁架中部分构件的重要性系数计算结果。由结果可见，端支座斜杆a-1的重要性较高，可作为待拆构件。

05动力响应分析

完整结构产生局部失效→应力重分布→结构达到稳定受力状态，是一个动态过程，涉及大应变、大变形以及钢构件的失稳问题，因此适合采用动力非线性方法进行模拟。

失稳模拟动画

选用Ls-dyna软件，采用纤维梁单元建立杆系模型，采用非线性材料并设定失效应变，立即移除待拆构件来考虑局部失效对剩余结构造成的显著影响。分析发现，构件拆除后，结构未发生倒塌或过大变形；杆件最大塑性应变为未超过失效应变，因而未发生连续性破坏。结果表明，端支座斜杆a-1突然失效情况下，结构仍具有抗倒塌能力。

构件拆除稳定后的结果整体变形（左）；塑性应变分析（右）

通过数值模拟，还可以研究结构在过载下的破坏情况，分析结构的极限承载能力。

过载下的结构破坏

参考文献：

[1] 陆新征, 李易, 叶列平. 混凝土结构防连续倒塌理论与设计方法研究[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2011.

[2] 闫伸, 赵宪忠, 陈以一. 结构连续倒塌研究的备用荷载路径方法[C]. 北京：中国建筑工业出版社, 2010.

[3] 蔡建国, 王峰岚, 冯建, 等. 新广州站索拱结构屋盖体系连续倒塌分析[J]. 建筑结构学报, 2012, 31(7): 103-109.

[4] CECS392: 2014, 建筑结构抗倒塌设计规范[S]. 北京：中国计划出版社, 2014.