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结构挽狂澜于既倒扶大厦之将倾——工程中的抗倒塌设计

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这几天小编在整理资料的时候偶然间看到了硕士期间的所做的关于加拿大魁北克大桥垮塌事故分析的PPT,今天想借着这起百年前震惊世界的工程事故来继续谈一谈工程中的抗倒塌设计

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01
魁北克大桥事故
我们先来大致回顾一下这起工程事故: 魁北克桥由三跨钢桁架梁组成,主跨 549 米,首次采用了新颖的悬臂构造,是当时最长的悬臂梁结构。
结构挽狂澜于既倒扶大厦之将倾——工程中的抗倒塌设计
在长达 30 年的过程中却接连两次发生了倒塌事故,造成了逾百人生命的逝去。事故第一次的原因主要是因为一根压杆失稳引起了全桥垮塌。在钢桁梁施工过程中,主体结构的部分弦杆出现明显挠曲变形,然而随着施工的推进,不断增加的荷载致使已经弯曲的弦杆不堪重负发生屈服,荷载随之马上转移到对侧及相邻的弦杆,这些构件相应的随之屈服,导致全桥垮塌。
结构挽狂澜于既倒扶大厦之将倾——工程中的抗倒塌设计
第二次则是因为中跨合龙时起吊设备局部构件断裂。合龙跨四角连接于吊杆,随后用液压千斤顶提升,在顶升过程中某个支点强度不足突然产生断裂,其他支点无法继续承担全部荷载,继而产生了扭曲和变形,导致整跨落进河里,13 名工人死亡。
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02
抗倒塌分析
类似于魁北克大桥事故,1995 年 Alfred P. Murrah 大楼倒塌事故、2001 年纽约世贸大厦倒塌事故等等,基本都是因牵一发而动全身,由于局部构件的破坏失效致使结构整体大范围的破坏而退出工作,引起整体倒塌。由此,可以看出,抗倒塌分析在保证结构整体安全可靠性方面有着举足轻重的作用。
结构挽狂澜于既倒扶大厦之将倾——工程中的抗倒塌设计
                        纽约世贸大厦倒塌事故
由于在之前的文章中我们大致介绍了里连续倒塌的一些基本概念以及各国规范的对比。本篇文章我们来看一看更细致的设计与分析方法。
下面还是首先来回顾一下基本原理和概念:
结构的连续性倒塌是指因意外事件或严重超载而造成部分构件丧失承载力而退出工作,从而引起连锁反应,导致与失效破坏构件相连的剩余构件连续破坏产生整体倒塌。
根据我国规范混凝土结构设计规范》《高层建筑混凝土结构技术规程》,安全等级为一级的高层建筑结构应满足抗连续倒塌的设计要求。我国规范中将抗连续倒塌设计方法分为以下几类:局部加强法;拉结构件法;拆除构件法,上述两本规范中已经详细介绍过了这几种方法,在这里就不再赘述了。
当结构的局部构件破坏失效退出工作后,破坏范围将在水平向和竖直向发展扩大,其中破坏沿竖直方向发展更为突出。当偶然因素导致局部结构破坏失效时,如果整体结构不能形成有效的多重荷载传递路径,破坏范围就可能沿水平和竖直方向蔓延,最终导致结构发生大范围的倒塌,甚至是整体倒塌。因而《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010 第 3.12 节要求,可用拆除构件法来分析结构抗连续倒塌的能力。当拆除关键构件后,结构可以经过内力重分布形成新的荷载传递路径,剩余结构构件超载力满足要求时,说明此结构具有抗连续倒塌能力;若拆除构件后结构发生大的变形或者其他构件发生破坏则需要验算在关键构件表面施加 80kN/m2 侧向偶然作用设计值后的承载力,若满足构件承载力要求也可以说此结构具有抗连续倒塌能力。
考虑到间接设计法难以准确的评估结构抗连续倒塌的有效性,现阶段我国常用的方法还是直接设计法(包括拉结强度法和拆除构件法)。现在 MIDAS、SAP2000、ABAQUS、ANSYSLS-DYNA 等分析软件基本都可以进行线性以及非线性的抗连续倒塌分析。比如,贵阳 201 大厦,采用 MIDAS 软件对其子结构的敏感构件进行线弹性拆杆分析,分别拆除四根有效杆件后评估其抗倒塌能力。新广州站(见图(a))应用 SAP2000 线性动力计算方法对其大跨度索拱结构屋盖体系分别进行了角柱、中柱、索拱的等效荷载卸载,评定出结构的抗倒塌能力较高。北京新机场航站楼屋盖钢结构工程(见下图 2)考虑了材料非线性、几何非线性及生死单元,使用了 ABAQUS 的 Standard-Dynamic 和 Explicit-Dynamic 两种时程计算分析模块,模拟 6 组 C 形柱失效后对结构承载力稳定性的影响。
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展望与警示
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魁北克大桥于 1917 年才正式竣工通车。4 年后,在魁北克大桥竣工不久,加拿大的七大工程学院一起出资将建桥过程中倒塌的钢材残骸买下,制成一枚枚被扭曲的钢条形状的戒指,每年赠予工程系的毕业生,用来纪念这起事故和在事故中被夺去的生命。同时,这枚戒指被要求佩戴在右手小拇指上,制作图纸的时候咯着手指,时时刻刻提醒着工程师们,要时刻为这次的及其他的工程事故所警醒,怀着高度的责任感,严谨认真细致负责地去完成手中的每一份设计工作。
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04
参考文献
1   叶华文,陈醉,曲浩博.魁北克大桥连续倒塌过程及结构冗余度分析[J].世界桥梁,2017,45(01):76-81. 2 叶华文,张澜,秦健淇,赵琦,陈醉,Pearson.C.,Delatte,N..魁北克大桥垮塌全过程分析[J].中外公路,2015,35(05):138-142. 3  《GB 50010-2010 混凝土结构设计规范》 4  《JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程》 5   林超伟,王兴法,许波,李开伦,雷霆,熊亮.贵阳 201 大厦抗连续倒塌分析[J].建筑结构,2012,42(07):32-35. 6   张志忠 结构抗连续倒塌设计理论与方法研究. 7   蔡建国,王蜂岚,冯健,张晋,黄利锋,盛平,甄伟,陈强.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,2010,31(07):103-109. 8   朱忠义,王哲,束伟农,秦凯,周忠发,张琳.北京新机场航站楼屋顶钢结构抗连续倒塌分析[J].建筑结构,2017,47(18):10-14.
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