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【轉】新綜述論文:21世紀建筑結構連續倒塌和魯棒性的研究和實踐 | Engineering Structures

來源:中國建筑加固改造與病害處理網 瀏覽:452次 發布日期: 2018-07-17 17:35

Research and practice on progressive collapse and robustness of building structures in the 21st century.

Engineering Structures, 2018, 173, 122-149.

https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.06.082


太長不看版

偶然事件可能對結構造成局部破壞,進而導致整個結構的連續倒塌。紐約911恐怖襲擊后,防連續倒塌成為國際重要研究方向。本文對21世紀以來在建筑結構連續倒塌和魯棒性方面的研究和工程實踐工作進行了綜述。詳細整理和綜述了:(1) 連續倒塌的定義;(2) 文獻的計量統計;(3) 現行的設計規范;(4) 結構魯棒性的評價方法;(5) 連續倒塌風險分析方法;(6) 試驗研究;(7) 數值模擬;(8) 未來研究需求。

論文進一步對不同問題提出了未來研究的需求:(a) 預制結構;(b) 預應力結構;(c) 砌體結構;(d) 高層和超高層結構;(e) 加固方法;(f) 數值模型;(g) 試驗研究;(h) 隔離對策;(i) 臨時結構;(j) 板柱沖切破壞;(k) 破壞結構的評估。


薅羊毛愛好者版

Engineering Structures期刊發表的37篇連續倒塌領域代表性論文,2018年12月31日前全部免費下載

https://www.journals.elsevier.com/engineering-structures/article-selections/progressive-collapse-and-robustness-of-building-structures-i


八卦愛好者

(1) 本文參考文獻285篇。。。


(2) 近年來連續倒塌論文的增長量

(3) 中國學者連續倒塌領域的論文發表數在2013年后獨占鰲頭

(4) 發表連續倒塌論文最多的刊物
(《建筑結構學報》發了41篇,《工程力學》發了35篇)


(5) 中國的連續倒塌設計規范和國外規范的比較

(6) 連續倒塌領域引用率最高的論文

中國的易偉建教授等、蘇幼坡教授等的論文榜上有名


好好學習版(趙鵬舉協助整理)

1. 引言

各類公共或私人建筑都可能遭遇到極端事件,例如,可能是颶風、海嘯、地震、爆炸、車輛撞擊、火災以及人為失誤等引起。這些事件通常會導致建筑結構的局部破壞,進而導致結構的完全倒塌。這就是“連續性倒塌”這一詞的由來,它可以被理解為局部破壞引起一系列的構件失效進而導致整個或絕大部分建筑物倒塌的過程。建筑物的連續性倒塌總會造成嚴重的生命財產損失。

近年來,媒體廣泛報道了一些嚴重的連續性倒塌事件。從遇難者人數、破壞程度或社會影響程度來說,最重要的一些事件有:Ronan Point 公寓(倫敦,1968)、Capitán競技場(巴塞羅那,1972)、美國海軍陸戰隊軍營(貝魯特,1983)、阿根廷以色列共同協會(布宜諾斯艾利斯,1994)、美國A.P. Murrah聯邦政府辦公樓(俄克拉荷馬州,1995)、Sampoong百貨店(首爾,1995)、世貿大廈(紐約,2001)和Achimota Melcom購物中心(阿克拉,2012)。從人們對這些和許多其他的倒塌事故的關注來看,人們已普遍認為,有必要建造具有“魯棒性”的建筑物,使其能夠承受局部破壞而不發生不成比例的倒塌。對于構成重要基礎設施(如醫院、發電站、客運航站樓等)的建筑物來說,這一性能目標可能會進一步擴展,這些建筑物中匯集著大量的人,或者對公眾開放(例如學校、運動和商業中心)。在這些情況下,甚至還需要功能可恢復性建筑物。參考在較大規模的城市基礎設施系統中通常被定義為物理恢復力的這一概念,可恢復性建筑物可以被定義為能夠承受極端事件作用并恢復,且維持其正常的運作和功能的建筑物。因此,建筑物的恢復力不僅包括魯棒性(承受極端事件的能力)這一結構特性,還包括一種恢復能力,這使建筑物原本的性能水平能夠快速恢復甚至有所提高。

極端事件發生的可能性及其規模很難預測,因此用針對常規荷載的傳統方法來設計一種結構來抵抗極端事件是不現實且不可能的。而現在的設計標準試圖將風險最小化,并通過將魯棒性的設計理念以結構對局部破壞的不敏感性的形式融入到規范之中,從而將連續性倒塌控制在最低水平。與之對應,結構對異常事件的不敏感性被稱為倒塌抗力。根據這一概念,設計的目的不是采取任何行動來控制極端事件本身,因為這種風險不可能被消除,而是去控制極端事件的后果。

在建筑結構中,最嚴重的局部破壞發生在一個或多個垂直承重構件(如柱子或墻)失效并進而引起一系列的失效,最終導致整個或絕大部分建筑物全部倒塌時。為了避免連續性倒塌,必須提供備用的荷載傳遞路徑,將已破壞的柱原本所承受的荷載傳遞到相鄰構件。如果沒有有效的備用路徑,除非引入進一步的設計方法(如關鍵構件法、結構分區隔離法),連續性倒塌是不可避免的。

對于框架結構,有五種抗力機制可以提供備用荷載傳遞路徑,并將連續性倒塌的風險最小化:

(a)柱失效處梁的彎曲(通常是無效的機制,因為梁必須尺寸過大,因此這種設計準則幾乎不被使用)。

(b)在失效柱上框架的空腹桁架效應(圖1a)。

(c)柱失效處梁的拱效應(當相鄰柱的水平位移較小時是有效的機制)。

(d)梁/板的懸鏈線/膜效應,依靠較大旋轉和位移來橋接破壞的柱(圖1b)。

(e)非結構構件如外墻和隔墻的作用(圖1c)。

圖1. 備用荷載傳遞路徑:(a)空腹桁架效應;(b)懸鏈線效應;(c)非結構構件的作用


迄今為止,研究最廣泛的機制無疑是梁的懸鏈線效應,因為它被認為是結構防連續性倒塌的最后一道防線。

對建筑物連續性倒塌的研究開始于20世紀40年代早期,Baker勛爵分析了二戰期間在倫敦被炸毀的建筑物的行為。Ronan Point公寓大樓(倫敦,1968)的倒塌是一個里程碑,在此之后,建筑規范和設計建議開始考慮連續性倒塌的風險。然而,直到美國A.P. Murrah聯邦政府辦公樓(俄克拉何馬州,1995)和世貿大廈(紐約,2001)的倒塌引起公眾關注,并導致新標準和建議的引入之后,科學界才對研究連續倒塌這一領域感興趣。

本文旨在對21世紀在建筑結構的魯棒性和連續性倒塌領域所取得的主要進展進行廣泛性的回顧。鑒于本文所涉及方面的內容和范圍,它可被認為是任何有興趣投入這一研究領域的人的完整指南。對于那些希望獲得這一主題研究現狀的最新觀點的專家來說,本文也會有很大幫助。

盡管其他作者之前已對與建筑結構連續倒塌的規程和研究相關的一些方面進行了出色的綜述,但本綜述可能是迄今為止最宏大的,因為它涉及到了非常廣泛的一些方面,包括:

  • 一個關于術語的概念性定義(第2節)的匯編,如連續性倒塌、不成比例倒塌和魯棒性。

  • 文獻計量統計(第3節)給出了建筑結構連續性倒塌和魯棒性研究的現狀。

  • 關于連續性倒塌和魯棒性的規范、建議和設計方法的現狀以及它們近年來的發展(第4節)。

  • 結構魯棒性的量化公式(第5節)。

  • 評估結構連續性倒塌風險的方法(第6節)。

  • 迄今為止最重要的實驗的匯編與分類(第7節)。

  • 在建筑結構連續性倒塌的數值模擬中最常使用的一些技術的描述(第8節)。

  • 作者對于建筑結構的魯棒性和連續性塌陷的目前和未來需求的思考(第9節)。


后記

歡迎大家繼續關注《建筑抗倒塌設計規范》的修訂


實際上,連續倒塌研究只是土木工程領域中的一個小問題。從這個小問題上,可以看出中國的連續倒塌研究,可以說是有數量,有質量(引用最高的論文有2篇是中國作者),有理論,也有應用(例如規范編制等)。以目前中國土木工程的水平和體量,在任何一個已有的領域做大做強都不難。希望能看到中國土木工程未來能創造、引領更多的新領域。

 


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