李耀莊,蘇玲紅,吳小華

(中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所,湖南長(zhǎng)沙 410075)

火災(zāi)下工程結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌分析與設(shè)計(jì)方法探討＊

李耀莊,蘇玲紅,吳小華

(中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所,湖南長(zhǎng)沙 410075)

給出了火災(zāi)下工程結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的定義,分析了工程結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的特點(diǎn),并給出了火災(zāi)連續(xù)性倒塌判斷流程。在介紹目前常用的工程結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌分析設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上,提出了采用替代路徑法中的非線性靜力分析方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行火災(zāi)作用下抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)的思路。

火災(zāi)作用;連續(xù)性倒塌;替代路徑法;非線性靜力分析

0 引言

火災(zāi)給人類的生命財(cái)產(chǎn)造成極大的損失,火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失僅次于干旱和洪澇,而發(fā)生的頻率則位居各種災(zāi)種之首[1]?；馂?zāi)損失統(tǒng)計(jì)表明,發(fā)生次數(shù)最多、損失最嚴(yán)重的是建筑火災(zāi)[2]。近年來(lái),隨著高層建筑不斷涌現(xiàn),房屋密度加大,大量新型材料廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)以及燃?xì)?、電器的普遍使?大大增加了建筑物發(fā)生火災(zāi)的可能性。人們把目光越來(lái)越多地投向了火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的力學(xué)反應(yīng)。

1968年,在英國(guó)倫敦,由于局部破壞導(dǎo)致一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的羅蘭點(diǎn)單元建筑倒塌,引起了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌破壞的廣泛關(guān)注[3]。2001年“9·11事件”中紐約世貿(mào)中心兩座110層411 m高的鋼結(jié)構(gòu)大樓因飛機(jī)撞擊后發(fā)生火災(zāi)而倒塌,造成2 830人死亡。近年來(lái),國(guó)內(nèi)也多次發(fā)生建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下倒塌的惡性事件,包括湖南衡陽(yáng)“11·3”特大火災(zāi)造成20名消防官兵的犧牲等。建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的抗連續(xù)性倒塌越來(lái)越受到工程界的關(guān)注,并成為研究熱點(diǎn)。

1 連續(xù)性倒塌的定義和機(jī)理

關(guān)于連續(xù)性倒塌(progressive collapse),美國(guó)土木工程協(xié)會(huì)在ASCE7-05中定義為:在正常使用條件下,由于突發(fā)事件結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞,這種破壞從結(jié)構(gòu)初始破壞位置沿構(gòu)件進(jìn)行傳遞,最終導(dǎo)致整個(gè)建筑物倒塌或者造成與初始破壞部分不成比例的倒塌。英國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范提供的定義為:在突發(fā)事件中,結(jié)構(gòu)局部破壞導(dǎo)致相鄰構(gòu)件的失效,這種失效因發(fā)生連鎖反應(yīng)而持續(xù)下去,最后導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌或者造成與初始破壞原因不成比例的局部倒塌[4-5]。

根據(jù)上述分析,火災(zāi)連續(xù)性倒塌可以定義為:在局部或全面火災(zāi)作用下,在高溫和荷載的共同作用下,結(jié)構(gòu)發(fā)生局部承載力不足而破壞,這種破壞從結(jié)構(gòu)初始破壞位置沿構(gòu)件進(jìn)行傳遞,最終導(dǎo)致整個(gè)建筑物倒塌或造成與初始破壞部分不成比例的倒塌。

現(xiàn)有研究表明,工程結(jié)構(gòu)在高溫下和常溫下的力學(xué)性能差別很大。受到材料熱傳導(dǎo)的影響,結(jié)構(gòu)構(gòu)件受火后表面溫度的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于構(gòu)件內(nèi)部的溫度增長(zhǎng)速度,從而在構(gòu)件內(nèi)部形成不均勻溫度場(chǎng),且溫度場(chǎng)隨燃燒過(guò)程逐漸發(fā)生變化。材料的強(qiáng)度和彈性模量隨著溫度的變化而銳減,變形隨溫度的升高迅速增長(zhǎng),嚴(yán)重影響高溫下結(jié)構(gòu)的承載能力和耐火極限。當(dāng)構(gòu)件的承載能力下降到不能抵抗荷載作用時(shí)就會(huì)發(fā)生破壞,原來(lái)作用于構(gòu)件上的荷載會(huì)在周圍其它結(jié)構(gòu)上進(jìn)行荷載重分布,直到找到新的平衡狀態(tài)為止。若此時(shí)火災(zāi)還沒(méi)有結(jié)束,又會(huì)對(duì)新的平衡狀態(tài)產(chǎn)生影響,導(dǎo)致新一輪的構(gòu)件破壞和荷載重分布。直到火災(zāi)結(jié)束,剩余結(jié)構(gòu)達(dá)到最終平衡。根據(jù)火災(zāi)作用的特點(diǎn),判斷火災(zāi)下工程結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌流程如圖1所示。

圖1 火災(zāi)下工程結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌判斷框圖

2 火災(zāi)對(duì)工程結(jié)構(gòu)破壞作用的特點(diǎn)

目前關(guān)于工程結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的研究主要集中在地震、爆炸、撞擊等偶然事件,針對(duì)火災(zāi)偶然事件的研究基本上是一個(gè)空白。盡管在地震或爆炸下的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的研究對(duì)火災(zāi)作用下的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌具有一定的借鑒意義,但是火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用畢竟具有其特殊性。主要表現(xiàn)在:

(1)火災(zāi)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的破壞作用具有漸進(jìn)性和逐步累積性。地震、爆炸和撞擊作用于結(jié)構(gòu)具有瞬時(shí)性,一般必須考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用;而火災(zāi)作用于結(jié)構(gòu)具有持續(xù)性,一般可以不考慮其動(dòng)力作用,它對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞是逐步累積的。當(dāng)某構(gòu)件在火災(zāi)作用下失效,剩余結(jié)構(gòu)不僅需對(duì)原來(lái)作用于結(jié)構(gòu)上的荷載重分布,同時(shí)還會(huì)繼續(xù)受到火災(zāi)的作用(在火災(zāi)結(jié)束前)。

(2)火災(zāi)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的破壞作用具有局部性?；馂?zāi)一般發(fā)生在建筑物的局部范圍,這點(diǎn)與爆炸和撞擊具有一定程度的相似,和地震作用則截然不同,地震作用顯然是作用在整個(gè)結(jié)構(gòu)上的。

(3)火災(zāi)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的破壞作用具有不均勻性?；馂?zāi)產(chǎn)生的高溫在結(jié)構(gòu)的不同位置存在較大的差異。由于混凝土材料的熱惰性,結(jié)構(gòu)受火后表面溫度迅速升高,而截面內(nèi)部的溫度增長(zhǎng)緩慢,形成極不均勻的溫度場(chǎng),表層溫度變化梯度很大。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)部對(duì)材料的劣化也存在很大的差異。

(4)火災(zāi)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的破壞作用具有多因素耦合性。分析常溫結(jié)構(gòu)時(shí),一般只需要知道材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。但是高溫結(jié)構(gòu)的溫度值和高溫持續(xù)時(shí)間對(duì)材料強(qiáng)度和變形影響很大,不同的升溫加載途徑又存在較大的差異,構(gòu)成了應(yīng)力-應(yīng)變-溫度-時(shí)間四者的耦合效應(yīng),因此必須研究耦合高溫-力學(xué)本構(gòu)關(guān)系。

由于火災(zāi)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞作用的特殊性,與地震、爆炸和撞擊等偶然因素作用下結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能存在較大的差異。因此,分析火災(zāi)作用下工程結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌是十分必要的。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu),高溫構(gòu)件溫度變形受到支座和節(jié)點(diǎn)的約束,以及非高溫相鄰構(gòu)件的約束,在火災(zāi)作用下將存在劇烈的內(nèi)力重分布和應(yīng)力重分布現(xiàn)象;隨著溫度變化和持續(xù)時(shí)間的增加,將形成一個(gè)連續(xù)的內(nèi)力和應(yīng)力重分布過(guò)程。最終將出現(xiàn)與常溫完全不同的破壞機(jī)構(gòu)和破壞形態(tài)[6]。

3 火災(zāi)下工程結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的設(shè)計(jì)方法

1977年,Leyendechker和Ellingwood將結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)性倒塌的設(shè)計(jì)方法歸為3類,即事件控制、間接設(shè)計(jì)和直接設(shè)計(jì)[7]。事件控制要求突發(fā)事件在發(fā)生前即予以阻止,或通過(guò)設(shè)置隔離在建筑之外,是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以外的一類措施[8]。間接設(shè)計(jì)是指不直接體現(xiàn)突發(fā)事件的具體影響,而采用拉接力進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以提高結(jié)構(gòu)的最低強(qiáng)度、冗余特性和延性能力。直接設(shè)計(jì)又分為備用荷載路徑分析和特殊抗力設(shè)計(jì),前者通過(guò)假定主要承重構(gòu)件的初始失效來(lái)研究或評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的冗余性能及抵抗連續(xù)性倒塌的能力,或者則是對(duì)主要承重構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì),避免在突發(fā)事件下發(fā)生局部破壞[9]。

目前對(duì)工程結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)研究較多,它是避免結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中發(fā)生破壞或倒塌的前提和保證。主要體現(xiàn)在4個(gè)方面:①對(duì)建筑火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程進(jìn)行研究,得到建筑空間的溫度場(chǎng)分布和煙氣的蔓延規(guī)律;②是對(duì)結(jié)構(gòu)材料的高溫性能進(jìn)行研究;③對(duì)建筑構(gòu)件內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析;④結(jié)構(gòu)構(gòu)件的高溫承載力進(jìn)行分析和研究。隨著研究的深入,展開(kāi)了對(duì)整體結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下行為的研究及結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌研究。本文主要對(duì)拉桿法和替代路徑法進(jìn)行分析。

3.1 拉桿法

設(shè)置拉桿法就是在設(shè)計(jì)中為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置拉桿,提供荷載傳遞的路徑。這些拉桿通過(guò)機(jī)械方式將建筑物連接在一起,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和延性。研究結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)的平面和豎向布置拉結(jié)體系可有效防止建筑物發(fā)生連續(xù)性倒塌,利用拉索的懸鏈線作用可有效地防止樓板發(fā)生坍塌。拉桿按方向分為水平拉桿和豎向拉桿;按位置分為內(nèi)拉桿、周邊拉桿及連接于邊柱、角柱和墻的拉桿[3](圖2)。在對(duì)各種拉桿進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮火災(zāi)對(duì)鋼筋的力學(xué)性能的劣化作用。

圖2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌拉桿設(shè)置

3.2 替代路徑法

替代荷載傳遞路徑就是要使結(jié)構(gòu)喪失某些構(gòu)件后具有向其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件或組成部分轉(zhuǎn)移荷載的能力[3](圖3)。中心思想就是將失效構(gòu)件從結(jié)構(gòu)中移除后,分析剩余結(jié)構(gòu)的承載能力。荷載替代路徑法包括線性靜力分析、非線性靜力分析和非線性動(dòng)力分析3種分析方法。

圖3 結(jié)構(gòu)破壞后的荷載路徑轉(zhuǎn)移

線性靜力法以小變形理論為基礎(chǔ),除在結(jié)構(gòu)部分位置嵌入塑性鉸外,將材料視為線彈性。全部荷載一次施加到結(jié)構(gòu)上,此時(shí)移除豎向承重構(gòu)件。在計(jì)算中考慮二階效應(yīng)和P-△效應(yīng)。由于分析過(guò)程中僅在超過(guò)極限承載力的位置加入塑性鉸,其余部分均按線彈性考慮,分析方法相對(duì)簡(jiǎn)單,但是與實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力情況存在較大差異。非線性靜力分析法考慮結(jié)構(gòu)材料和幾何的非線性,在移除豎向承重構(gòu)件后,荷載按多級(jí)(一般分為10級(jí))逐漸施加到結(jié)構(gòu)上,計(jì)算得到的構(gòu)件拉力和變形與可接受的準(zhǔn)則進(jìn)行對(duì)比,直到加載到規(guī)定數(shù)值。如果此時(shí)所有構(gòu)件和連接沒(méi)有超過(guò)可接受準(zhǔn)則,則結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)?shù)目惯B續(xù)倒塌能力。非線性動(dòng)力分析法考慮材料和幾何非線性,從滿載的結(jié)構(gòu)上瞬時(shí)移除豎向承重構(gòu)件,分析產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。

由于鋼筋混凝土是由兩種力學(xué)性能差別較大的材料組成,受力極為復(fù)雜,在正常使用階段,大部分鋼筋混凝土拉、彎構(gòu)件的受拉區(qū)已存在裂縫而進(jìn)入非彈性狀態(tài),又鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)遭到破壞時(shí)兩者間出現(xiàn)滑移并使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件變形過(guò)大,這時(shí)用線彈性方法分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形就不能反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)[10]?；馂?zāi)作用于結(jié)構(gòu)上,是通過(guò)改變構(gòu)件截面溫度從而影響結(jié)構(gòu)材料性能,并進(jìn)而降低構(gòu)件承載力的。跟爆炸、撞擊等偶然荷載不同,火災(zāi)作用不是瞬時(shí)的沖擊荷載,而是隨時(shí)間的變化而變化的緩慢過(guò)程,分析時(shí)可以不考慮其動(dòng)力效應(yīng)。因此分析工程結(jié)構(gòu)火災(zāi)作用下抗連續(xù)性倒塌采用非線性靜力分析方法比較好。

分析工程結(jié)構(gòu)火災(zāi)作用下抗連續(xù)性倒塌時(shí)應(yīng)結(jié)合火災(zāi)作用的特點(diǎn),不僅要考慮材料的非線性、幾何的非線性,還應(yīng)考慮火災(zāi)作用下的時(shí)間-溫度效應(yīng)?？梢詫⒒馂?zāi)作用持續(xù)時(shí)間分成許多離散的時(shí)間段,假設(shè)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)構(gòu)件截面溫度分布不變,從0時(shí)間段開(kāi)始逐個(gè)時(shí)間段向后分析,直至火災(zāi)結(jié)束。同時(shí)從火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)作用的特點(diǎn)來(lái)看,火災(zāi)發(fā)生時(shí),結(jié)構(gòu)豎向承重構(gòu)件仍然處在正常工作狀態(tài)下,隨著火災(zāi)的發(fā)展,水平構(gòu)件和豎向承重構(gòu)件承載能力逐步降低,至最終超過(guò)可接受準(zhǔn)則被移除,這與火災(zāi)持續(xù)的時(shí)間及釋放的能量等因素有關(guān)。因此分析時(shí)一次移除豎向承重構(gòu)件并不合理,對(duì)于豎向承重構(gòu)件的移除相對(duì)更加復(fù)雜,目前我們正對(duì)此展開(kāi)深入的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在目前國(guó)外關(guān)于連續(xù)性倒塌定義的基礎(chǔ)上,給出了火災(zāi)下連續(xù)性倒塌的定義和判斷流程。又通過(guò)對(duì)比火災(zāi)作用和其它偶然事件對(duì)結(jié)構(gòu)影響的區(qū)別,得出火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用具有漸進(jìn)性和逐步累積性、局部性、不均勻性、多因素耦合性的特點(diǎn)。分析了目前常用的工程結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)方法,指出針對(duì)火災(zāi)作用進(jìn)行分析時(shí)不僅要考慮材料的非線性、幾何的非線性,還應(yīng)該考慮火災(zāi)作用的時(shí)間溫度效應(yīng)。提出采用非線性靜力分析方法分析結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的抗連續(xù)性倒塌比較符合實(shí)際,為以后火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌研究指明方向。

[1] 霍然,胡源,李元洲.建筑火災(zāi)安全工程導(dǎo)論[M].合肥:中國(guó)科技大學(xué)出版社,1999:1-5.

[2] 路春森,屈立軍,薛武平,等.建筑結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,1995:1-4.

[3] 貢金鑫,魏巍巍,胡家順.中美歐混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007:684-708.

[4] DusenberryD O.Review of existing guidelines and provisions related to progressive collapse[R].Washington:National Workshop on Prevention of Progressive Collapse in Rosemont,I11,2002.

[5] 賈金剛,徐迎,石磊,等.關(guān)于連續(xù)性倒塌定義的探討[J].爆破,2008,25(1):22-24.

[6] 過(guò)鎮(zhèn)海,時(shí)旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計(jì)算[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003:2-4.

[7] Leyendechker E V,Ellingwood B R.Design methods for reducing the risk of progressive collapse in buildings[R].Washington D C:NationalBureau of Standards.1977.

[8] 田志敏,張想柏,杜修力.防恐怖爆炸重要建筑物的概念設(shè)計(jì)[J].土木工程學(xué)報(bào),2007,40(1):34-41.

[9] 江曉鋒,陳以一.建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌及其控制設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀[J].土木工程學(xué)報(bào),2008,41(6):1-8.

[10]梁興文,葉艷霞.混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007:9-10.

D iscussion on Analysis and Design Methods of Preventing Structural Progressive Collapse in Case of Fire

Li Yaozhuang,Su Linghong andWu Xiaohua

(Institute of D isaster Prevention Science and Safety Technology,Central South University,Changsha410075,China)

The definition of the structural progressive collapse in case of fire is presented.The structural characteristics in case of fire are analyzed and the judgment process of structural progressive collapse is given.On the basis of introduction of commonly used analysis and design methods of structural progressive collapse,a design idea for preventing structural progressive collapse in case of fire is put forward bymeans of nonlinear static analysis in alternative path method.

effects of fire;structural progressive collapse;alternative path method nonlinear static analysis

TU312+.3

A

1000-811X(2010)01-0089-04

2009-07-05

湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(06FJ2002)

李耀莊(1970-),男,湖南雙峰人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事工程結(jié)構(gòu)抗火、抗震教學(xué)和科研工作. E-mail:liyz@mail.csu.edu.cn