学习笔记 | 抗倒塌设计(1)——国外抗倒塌设计标准
前面几个系列文章介绍了两代基于性能抗震设计方法,同时通过对能力谱方法、底部剪力法、简化弹塑性变形验算和Pushover分析的学习,了解了PBSD的具体实现方法,可以看出:
1、能力谱方法通过合理引入前提假定,在算力有限的情况下可以实现对结构抗震性能的快速评估,推动了PBSD方法的推广应用;
2、底部剪力法作为抗震设计的基础性分析方法,可以有效反应结构的抗侧力能力,即使目前算力已高度发展的情况下,将其推广应用于“大震不倒”验算也仍然具有较强进步意义;
3、Pushover分析是能力谱方法的实现基础,但二者并不等价,从前提假定和实现效果等角度可以看出,Pushover分析值得被进一步重视并可实现更广泛的应用。
未来几期文章我们对结构的抗倒塌设计理论与方法进行学习讨论。
本期文章首先学习一下国外抗倒塌设计标准。
一、建筑倒塌事件与抗倒塌标准发展
1968年,英国伦敦Ronna Point公寓因厨房煤气爆炸引起预制承重外墙与预制楼板局部连续倒塌。1970年代,英国建筑规范British Standard增加了拉结强度设计、水平构件多跨能力设计、关键构件设计等抗倒塌设计内容;美国(1971年)、加拿大(1975年)等国标准规范中也给出了抗倒塌结构冗余设计原则规定。欧洲规范Eurocode 1(EN1991-1-7)借鉴了英国规范中结构抗连续倒塌设计内容。
1995年,美国俄克拉荷马州Alfred P. Murrah联邦政府大楼遭受恐怖袭击;2001年,美国纽约世贸中心双子塔在恐怖袭击中倒塌。2002年,美国ACI 318- 02规范提出了保证结构整体性和延性的相关配筋构造要求,但未给出具体的抗连续倒塌设计方法。2005年,ASCE 7-05规范提出了结构应具有足够的连续性、冗余度及延性等整体性抗连续倒塌要求,并给出了拆除构件法、局部抗力法等直接抗倒塌设计法。美国总务管理局《新联邦办公楼和重大现代化项目的连续倒塌分析和设计指南》(GSA 2003)给出了既有和新建结构连续倒塌评估及抗力提升方法,为国际上首个真正意义上的结构抗连续倒塌设计标准。美国国防部《建筑抗连续倒塌设计》(DoD 2005)将区分建筑安全等级,给出了不同复杂程度的抗倒塌设计方法。
二、GSA 2003
美国总务管理局(GSA,General Services Administration)是为美国联邦政府提供包括房地产交易在内的集中采购服务的机构,GSA在2000年发布了《新联邦办公楼和重大现代化项目的连续倒塌分析和设计指南》,并在2003年进行了修订。
GSA 2003目录如下:
GSA 2003给出了建筑是否需要进行抗倒塌设计的判断流程,对于需要进行抗倒塌设计的建筑,以10层为界,可采用线弹性分析或非线性分析方法,通过拆除构件法完成抗倒塌设计。GSA 2003还给出了静力、动力分析的动力放大效应计算与结构倒塌破坏判断准则。
三、DoD 2005
美国国防部(DoD,Department of Defense)2005年1月颁布了《Design of Buildings to Resist Progressive Collapse》标准(UFC 4-023-03)。该标准提出了减轻美国国防部设施发生连续倒塌风险的设计方法,要求对3层以上的建筑进行抗连续倒塌设计。对于中、高保护等级建筑的抗倒塌设计,要求必须满足以下三方面要求:拉杆抗拉要求、替代荷载传递路径要求以及附加延性要求。DoD 2005规定可采用静力线性分析、静力非线性分析或动力非线性分析进行替代荷载传递路径法计算。
四、总结
本期文章对国外抗倒塌设计标准及其由来进行了学习讨论,可以看出:
1、建筑结构的倒塌事件层出不穷,倒塌原因多种多样,抗倒塌设计应成为建筑结构设计的重要组成部分;
2、GSA2003与DoD2005是国际上较早产生的系统性抗倒塌设计标准,对美国和世界上其他国家的抗倒塌标准与设计方法进步起到了较强的引领作用;
3、实际需求是建筑结构设计标准与方法进步的必要条件,但并非充要条件,实际需求催生出的优秀设计方法与设计标准源于系统性创新能力,我们土木工程领域在此方面仍然存在相当大的差距和可进步空间。
参考文献:
[1] GSA 2003 Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Project[S]..2003.
[2] DoD 2005 (UFC4-023-03) Design of Structures to Resist Progressive Collapse[S]..2005.
[3] 胡晓斌;钱稼茹. 结构连续倒塌分析与设计方法综述[J]. 建筑结构,2006,(S1):573-577.
[4] 梁益;陆新征;缪志伟;叶列平. 结构的连续倒塌:规范介绍和比较[A]. 第六届全国工程结构安全防护学术会议论文集[C].,2007:6.
[5] 傅学怡;黄俊海. 结构抗连续倒塌设计分析方法探讨[J]. 建筑结构学报,2009,(S1):195-199.