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【转】新综述论文:21世纪建筑结构连续倒塌和鲁棒性的研究和实践 | Engineering Structures

来源:中国建筑加固改造与病害处理网 浏览:50次 发布日期: 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


太长不看版

偶然事件可能对结构造成局部破坏,进而导致整个结构的连续倒塌。纽约911恐怖袭击后,防连续倒塌成为国际重要研究方向。本文对21世纪以来在建筑结构连续倒塌和鲁棒性方面的研究和工程实践工作进行了综述。详细整理和综述了:(1) 连续倒塌的定义;(2) 文献的计量统计;(3) 现行的设计规范;(4) 结构鲁棒性的评价方法;(5) 连续倒塌风险分析方法;(6) 试验研究;(7) 数值模拟;(8) 未来研究需求。

论文进一步对不同问题提出了未来研究的需求:(a) 预制结构;(b) 预应力结构;(c) 砌体结构;(d) 高层和超高层结构;(e) 加固方法;(f) 数值模型;(g) 试验研究;(h) 隔离对策;(i) 临时结构;(j) 板柱冲切破坏;(k) 破坏结构的评估。


薅羊毛爱好者版

Engineering Structures期刊发表的37篇连续倒塌领域代表性论文,2018年12月31日前全部免费下载

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


八卦爱好者

(1) 本文参考文献285篇。。。


(2) 近年来连续倒塌论文的增长量

(3) 中国学者连续倒塌领域的论文发表数在2013年后独占鳌头

(4) 发表连续倒塌论文最多的刊物
(《建筑结构学报》发了41篇,《工程力学》发了35篇)


(5) 中国的连续倒塌设计规范和国外规范的比较

(6) 连续倒塌领域引用率最高的论文

中国的易伟建教授等、苏幼坡教授等的论文榜上有名


好好学习版(赵鹏举协助整理)

1. 引言

各类公共或私人建筑都可能遭遇到极端事件,例如,可能是飓风、海啸、地震、爆炸、车辆撞击、火灾以及人为失误等引起。这些事件通常会导致建筑结构的局部破坏,进而导致结构的完全倒塌。这就是“连续性倒塌”这一词的由来,它可以被理解为局部破坏引起一系列的构件失效进而导致整个或绝大部分建筑物倒塌的过程。建筑物的连续性倒塌总会造成严重的生命财产损失。

近年来,媒体广泛报道了一些严重的连续性倒塌事件。从遇难者人数、破坏程度或社会影响程度来说,最重要的一些事件有:Ronan Point 公寓(伦敦,1968)、Capitán竞技场(巴塞罗那,1972)、美国海军陆战队军营(贝鲁特,1983)、阿根廷以色列共同协会(布宜诺斯艾利斯,1994)、美国A.P. Murrah联邦政府办公楼(俄克拉荷马州,1995)、Sampoong百货店(首尔,1995)、世贸大厦(纽约,2001)和Achimota Melcom购物中心(阿克拉,2012)。从人们对这些和许多其他的倒塌事故的关注来看,人们已普遍认为,有必要建造具有“鲁棒性”的建筑物,使其能够承受局部破坏而不发生不成比例的倒塌。对于构成重要基础设施(如医院、发电站、客运航站楼等)的建筑物来说,这一性能目标可能会进一步扩展,这些建筑物中汇集着大量的人,或者对公众开放(例如学校、运动和商业中心)。在这些情况下,甚至还需要功能可恢复性建筑物。参考在较大规模的城市基础设施系统中通常被定义为物理恢复力的这一概念,可恢复性建筑物可以被定义为能够承受极端事件作用并恢复,且维持其正常的运作和功能的建筑物。因此,建筑物的恢复力不仅包括鲁棒性(承受极端事件的能力)这一结构特性,还包括一种恢复能力,这使建筑物原本的性能水平能够快速恢复甚至有所提高。

极端事件发生的可能性及其规模很难预测,因此用针对常规荷载的传统方法来设计一种结构来抵抗极端事件是不现实且不可能的。而现在的设计标准试图将风险最小化,并通过将鲁棒性的设计理念以结构对局部破坏的不敏感性的形式融入到规范之中,从而将连续性倒塌控制在最低水平。与之对应,结构对异常事件的不敏感性被称为倒塌抗力。根据这一概念,设计的目的不是采取任何行动来控制极端事件本身,因为这种风险不可能被消除,而是去控制极端事件的后果。

在建筑结构中,最严重的局部破坏发生在一个或多个垂直承重构件(如柱子或墙)失效并进而引起一系列的失效,最终导致整个或绝大部分建筑物全部倒塌时。为了避免连续性倒塌,必须提供备用的荷载传递路径,将已破坏的柱原本所承受的荷载传递到相邻构件。如果没有有效的备用路径,除非引入进一步的设计方法(如关键构件法、结构分区隔离法),连续性倒塌是不可避免的。

对于框架结构,有五种抗力机制可以提供备用荷载传递路径,并将连续性倒塌的风险最小化:

(a)柱失效处梁的弯曲(通常是无效的机制,因为梁必须尺寸过大,因此这种设计准则几乎不被使用)。

(b)在失效柱上框架的空腹桁架效应(图1a)。

(c)柱失效处梁的拱效应(当相邻柱的水平位移较小时是有效的机制)。

(d)梁/板的悬链线/膜效应,依靠较大旋转和位移来桥接破坏的柱(图1b)。

(e)非结构构件如外墙和隔墙的作用(图1c)。

图1. 备用荷载传递路径:(a)空腹桁架效应;(b)悬链线效应;(c)非结构构件的作用


迄今为止,研究最广泛的机制无疑是梁的悬链线效应,因为它被认为是结构防连续性倒塌的最后一道防线。

对建筑物连续性倒塌的研究开始于20世纪40年代早期,Baker勋爵分析了二战期间在伦敦被炸毁的建筑物的行为。Ronan Point公寓大楼(伦敦,1968)的倒塌是一个里程碑,在此之后,建筑规范和设计建议开始考虑连续性倒塌的风险。然而,直到美国A.P. Murrah联邦政府办公楼(俄克拉何马州,1995)和世贸大厦(纽约,2001)的倒塌引起公众关注,并导致新标准和建议的引入之后,科学界才对研究连续倒塌这一领域感兴趣。

本文旨在对21世纪在建筑结构的鲁棒性和连续性倒塌领域所取得的主要进展进行广泛性的回顾。鉴于本文所涉及方面的内容和范围,它可被认为是任何有兴趣投入这一研究领域的人的完整指南。对于那些希望获得这一主题研究现状的最新观点的专家来说,本文也会有很大帮助。

尽管其他作者之前已对与建筑结构连续倒塌的规程和研究相关的一些方面进行了出色的综述,但本综述可能是迄今为止最宏大的,因为它涉及到了非常广泛的一些方面,包括:

  • 一个关于术语的概念性定义(第2节)的汇编,如连续性倒塌、不成比例倒塌和鲁棒性。

  • 文献计量统计(第3节)给出了建筑结构连续性倒塌和鲁棒性研究的现状。

  • 关于连续性倒塌和鲁棒性的规范、建议和设计方法的现状以及它们近年来的发展(第4节)。

  • 结构鲁棒性的量化公式(第5节)。

  • 评估结构连续性倒塌风险的方法(第6节)。

  • 迄今为止最重要的实验的汇编与分类(第7节)。

  • 在建筑结构连续性倒塌的数值模拟中最常使用的一些技术的描述(第8节)。

  • 作者对于建筑结构的鲁棒性和连续性塌陷的目前和未来需求的思考(第9节)。


后记

欢迎大家继续关注《建筑抗倒塌设计规范》的修订


实际上,连续倒塌研究只是土木工程领域中的一个小问题。从这个小问题上,可以看出中国的连续倒塌研究,可以说是有数量,有质量(引用最高的论文有2篇是中国作者),有理论,也有应用(例如规范编制等)。以目前中国土木工程的水平和体量,在任何一个已有的领域做大做强都不难。希望能看到中国土木工程未来能创造、引领更多的新领域。

 


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