1、結構 2007.12編號 zby20莫斯科中國貿易中心工程防止結構連續倒塌設計寅（中國抗倒塌問題近年來在歐美北京100044）得到廣泛關注。結合莫斯科中國貿易中心工程的防止結構連續【提要】倒塌設計，比較了國外一些相關設計規范和標準之間的相互關系，提出滿足俄羅斯規范要求的防止連續倒塌設計計算方法，并將其與正常情況下的結構計算進行比較，找出其中帶規律性的問題。【】 結構的整體堅固性 構件的需供比 轉變途徑法 局部抗力增強法Design of the China Trade Center Building in Moscow to Resist Progressive Collapse/Zhu Bi

2、ngyin, Hu Bei，Hu Chunyang （China Architecture Design & Research Group,100044, China）Abstract: In recent years, the methodology of progressive collapse prevention for building was widely concernedin Europe and United States engineering commu. The China trade center building in Moscow is 180m at i

3、tshighest point, according to Russian codes of building to resist progressive collapse, thl buildings of No2 plotand No3 plot are need to design for avoiding progressive collapse. A series key design problems of the buildingsare introduced, including fail ms of structural members, design methods, ke

4、y-points of calculation, the basicdemands of USA codes and economic analysis.Keywords: structural robustness； demand and capacity ratio； alternate path method；improving the specific local method1工程概況莫斯科中國貿易中心工程，位于俄羅斯莫斯科市（抗震設防烈度與我國6度相當），橫跨匹克大街，緊鄰四環路和城市輕軌及地鐵6號線的BOTANICHESKY SAD站，是集辦公、商業、公寓及中國園林為一體的綜合群

5、，總面積20萬m2。按功能和區域將總平面地塊劃分為三個地塊，其中2#地高度180m，鋼筋混凝土框架-筒結構（結構平面示意見圖1）；3#地塊塊2層、地上40層，2層，地上22層，措施。高度87m，鋼筋混凝土框架-剪力墻結構。工程按俄羅斯規范要求需采取防止連續倒塌（a）轉換層頂平面（b）轉換層以上平面圖1 2#地塔樓結構布置平面圖2國外防止連續倒塌設計的要求911以來，緊急情況（如：、風災、撞擊和高溫等）下結構的防止連續倒塌設計正受到更結構 2007.12編號 zby20多的關注，有關相繼制定有相關的。2.1 俄羅斯防止連續倒塌措施的相關規定1（1）高度超過 75m 的，均應進行結構的防止連續倒塌

6、驗算。驗算的目的是為了防止在自然緊急狀態（源自氣候條件或地質變化等）或人為緊急狀態（內部或外部由于火災或其他性情況發生）下，一旦部分承重結構受到破壞后，破壞會逐步擴大，使發生連續倒塌。（2）物防止連續倒塌的整體堅固性（Robustness），應根據結構計算確定。（3）當發生局部破壞時，的整體堅固性計算應考慮相應的荷載組合（含荷載和活荷載等）要求。局部破壞應滿足下列要求：破壞發生在墻肢上，且從兩組墻的交接點到最近的洞口或下一個交接點的距離小于 10m時；局部破壞發生在柱上或與同層墻體相連的柱上；局部破壞發生在同一層樓板上；以上局部破壞的受荷面積均不應超過 80m2。對應確定。抗連續倒塌整體堅固性

7、的評估，應根據上述局部破壞的最大效（4）對于緊急狀態，需根據規范要求驗算承載能力極限狀態，不要求驗算裂縫、變形等正常使用極限狀態。抗力計算須采用荷載標準值。（5）效應計算應使用空間計算模型，將所有結構構件考慮在內，模擬生損害時荷載的重分布及破壞情況。投入使用后局部承重構件發（6）防止發生累計損害的主要措施有：結構應有較多的冗余度，以保障柱、橫梁、隔板、節點的承重能力；連續加強配筋；提高結構構件和節點的延性。在范圍內提高結構的延性可有效結構破壞的繼續擴大，即當某些承重構件發生破壞時，可以有較大的變形而不至于立刻失去所有的承載能力。因此在設計時應增加配筋或采用其他延性材料，加大連接件強度及韌度。應

8、盡量采用現澆結構，當采用非承重預制構件時，應采用與承重結構連接牢固性好、可靠性高的預制板材。樓板與柱、梁、隔板的相連處應能保證上層樓板坍塌時支撐住上層樓板，而不掉到下層樓內。連接處的承重能力應為半個跨度的樓板與結構構件的重量（D+0.25L）。2.2 GSA導則2美國管理局（General Service Adminstration ）于2000年制訂了連續倒塌的分析與設計導則（GSA Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines）。（1）要求多層房屋的設計應進行以下突發的檢驗。即多層房屋在首層去掉一個主要支承后，不應導致上部結構的倒塌

9、。這個主要支承包括：地面以上一層房屋短邊或長邊中部的一根柱或一段9m的承重外墻；地上一層任何一根角柱或沿房屋轉角各4.5m的兩段外承重墻；外墻。車庫中一根柱或一段9m的承重（2）對延性差的結構，考慮動力系數2，按2（D+0.25L）進行驗算（其中：D為活荷載標準值）。荷載標準值，L為（3）強調結構設計應使結構具有更好的堅固性，以減少連續倒塌的可能性。結構應具有多贅余度和多傳力途徑（包括豎向荷載及承載力）；構件應具有良好的延性，保證變形遠遠超過彈性極限時還能有一定的承載能力；要考慮相鄰構件的破壞，應有足夠的反向受力承載力；構件應具有足夠受剪承載力，保證不產生剪切破壞。規定22.3 NYC美國NY

10、C第18章提出兩種防止連續倒塌的途徑。1.轉變途徑法（Alternate Path Method）。即當結構失去某一關鍵構件時，通過轉變受力途徑仍能承受相應的荷載組合（即能確保結構的穩定，而不發生連續倒塌）。這里的關鍵構件指：一個單獨樓板或兩個相鄰墻段形成的墻角，一根梁及其從屬范圍的樓板，一根柱或其他影響結構穩定的結構構件。計算要考慮的荷載組合為1.0D+0.25L和1.0D+0.25L+0.2W，其中：W為風荷載標準值。結構 2007.12編號 zby202.局部抗力增強法（Specific LocalMethod）。即對結構設計中不能破壞的結構構件，構件的需供比DCR（Demand-Cap

11、acity Ratio）2，并采用增加構件承載力的方法，確保在緊急情況下構件具有較大的強度儲備，以保證結構的穩定。QDCR=UD 2（1）QCE式中： QUD 為在緊急情況下按彈性靜力分析求得的構件或節點承受的內力； QCE 為構件或節點預期的極限承載能力，計算QCE 時，考慮瞬時作用對材料強度的提高系數（鋼材取1.05，鋼筋混凝土取1.25）。此時荷載組合取2（D+0.5L+0.2W）。構件的荷載總值（2（D+0.5L）不應小于36 kN / m2 。2.4 DOD導則2美國國防部（DOD）于2001年了防連續倒塌暫行設計導則。（1）要求進行去掉一個主要承重構件或一個主要抗力構件的結構反應分

12、析。對于一般住宅類，去掉的限于房屋周邊的主要承重構件；考慮有可能在房屋內部發生主要承重構件。時，要去掉的構件包括外部及內部的（2）對于框架結構，去掉任一層的一根柱，則與該柱相接的所有填充墻和被去掉；去掉任一層的一根梁，則被去掉的樓蓋。的填充墻均被去掉。對于無梁樓蓋體系，去掉整跨樓蓋也就是去掉四根柱所包圍（3）對于承重墻結構，去掉長度為兩倍墻高（墻高定義為水平方向支承之間的豎向距離）的一段墻，且該墻長度不應小于伸縮縫或縫之間的距離。在轉角處沿兩個方向的長度均應滿足以上要求。若墻有與其相連的豎向承重構件，則去掉的長度可取豎向承重構件之間的實際距離。當采用無梁樓蓋時，去掉樓蓋的面積，其寬度為被去掉墻

13、的長度，其長度為從去掉墻段到相鄰內承重墻的距離。（4）對支撐-框架結構，去掉一根柱或一根梁類似框架結構。沿柱列設置贅余的支撐，當在某跨失去一根柱或導致房屋其余部分的倒塌。（5）對框架-剪力墻結構，參照以上體系，適當地去掉墻、柱、3防止連續倒塌的分析方法2板進行分析。DOD導則規定，防止連續倒塌設計計算可采用二維或三維靜力、線彈性或非線性結構分析。采用線彈性方法時，如構件的受彎承載力超限，則認為該處出鉸，放松其轉動自由度，出鉸處彎矩保持不變，修正結構剛度重新進行計算分析；如構件的受剪承載力超限，即認為該構件失效，失效構件在新的模型中去掉。當某一失效構件去掉后，與該構件有件，其他荷載如沖擊力等還應

14、分配到下一層構件中。荷載或活荷載必須重新分配給同一層的其他構非線性分析只需要一次完成，當超過構件的受剪承載力或超過了構件的變形極限時，認為構件失效， 在繼續分析之前將失效構件從模型中去掉。4 莫斯科中國貿易中心防連續倒塌設計4.1 工程防止連續倒塌的基本要求參考上述文獻，對工程設計提出以下要求：1）采用抗連續倒塌性能比較好的鋼筋混凝土框架-剪力墻（或框架-筒）結構體系；2）采取周邊支承的鋼筋混凝土現澆樓板、樓板鋼筋采用焊接及其他有效錨固、加強梁柱節點連接等措施，當發生緊急情況時，具有很好的懸掛作用，抗連續倒塌性能好；3）對不利于抗連續倒塌的轉換桁架及其支承柱采用堅固性較強的鋼結構和鋼骨混凝土結

15、構，對角柱采取加強措施，確保當發生緊急情況時，具有很好的抗連續倒塌作用；4）采用ETABS程序進行滿足俄羅斯規范要求的防連續倒塌計算；5）構件的需供比DCR2 ；6）結構構件的配筋（或鋼構件的截面），取正常情況下（1.2D+1.4L+0.2W或1.35D+0.98W）與緊急情況下防連續倒塌計算的較大值；7）工程設計不考慮由于氣候條件或地質變化而引起的自然緊急狀態。結構 2007.12編號 zby204.2 防倒塌計算方法1. 對于角柱、2#地6層以下鋼轉換桁架及支承轉換桁架的8根大柱等結構設計中不可局部破壞的重要部位和構件，采用局部抗力增強法進行防倒塌計算。要點如下：1） 特殊情況下的荷載組合

16、，取2 （D+0.5L+0.2W）；2）構件的豎向總荷載不小于36 kN / m2 ；3）材料強度仍采用設計強度；4）考慮梁柱節點影響，可取支座邊緣截面進行結構的強度計算；5）柱或SRC柱的型鋼，按承受框架角柱（或底層大柱）的全部重力荷載（1.0D）計算（考慮材料強度的提高系數，鋼筋、鋼板及混凝土均取1.1）。2. 對于采用局部抗力增強法進行設計以外的其他所有區域和構件，采用轉變途徑法進行防倒塌計算。要點如下：1)荷載組合按（D+0.5L+0.2W）考慮，不考慮作用；2)采用荷載效應的標準組合（含荷載和活荷載，不考慮超載系數）；3)抗力計算中，材料強度取用標準值；4)結構計算采用空間計算模型的

17、線彈性分析方法；5)考慮結構及構件的塑性內力重分布；6)只進行結構或構件的承載力計算，不考慮撓度及裂縫問題；7)破壞位置取可能破壞的平面中的最下面樓層（即豎向荷載最大的樓層）；8)考慮梁柱節點影響，取支座邊緣截面進行結構的強度計算；9）防倒塌計算中需要考慮的結構局部構件破壞情況見表1。結構局部構件破壞的情況表14.3 轉變途徑法的應用實例以2#地塔樓為例（見圖1），說明考慮防倒塌設計的結構構件的設計計算要點。1樓板失效樓板失效時，考慮樓板的懸掛作用，樓板的通長配筋應滿足：Asb 0.5P / f y（2）式中 P為陰影區樓板總荷載，按（D+0.5L）計算； f y 為鋼筋強度設計值。2周邊框架

18、柱（柱B）失效在正常情況下，樓板為周邊支承的雙向板。在緊急情況下，由于柱B的失效，導致相應梁支承的，樓板的傳力途徑發生改變，樓板變成由墻A、梁A三邊支承，在陰影范圍內（影響面積80m2）樓板變為短邊支承的單向板（圖2）。防倒塌計算應重點懸掛作用等。結構的整體穩定、墻A、柱A、梁A的承載能力，及樓板的（1）考慮柱B失效時，框架梁A的梁端（與柱A相交處）出現塑性鉸但不能失效（不發生剪切破壞），梁端截面及箍筋配置應滿足抗剪承載力要求，同時梁端截面滿足錨固長度的全部縱筋應滿足下式要求：V 0.75f y As（3）式中 V為考慮柱B失效由相應荷載（D+0.5L+0.2W）產生的梁端剪力。（2）框架梁A

19、的跨中設計彎矩，均不得小于按情況（按緊急情況計算）計算彎矩的80%。（3） 鋼筋混凝土剪力墻、框架柱、框架梁、樓板等的配筋，取正常情況下與緊急情況下防連續倒塌計算的較大值。（4） 考慮樓板的懸掛作用同上。序號破壞構件局部破壞情況局部破壞面積1同一樓層兩片相交的剪力墻有洞口從墻交接處到離最近的洞口邊且墻長10m80m2無洞口從墻交接處至下一墻肢相交處2柱柱子破壞，與之相連的梁失效，失去相應的支承作用3梁梁破壞，失去相應的支承作用4樓板樓板的破壞，考慮樓板的懸掛作用結構 2007.12編號 zby20圖2（柱B）失效后的樓板傳力途徑3中梁（梁B）失效在緊急情況下，由于梁B的失效，導致相應樓板支承的

20、墻A、梁A和梁C支承的大雙向板（圖3）。防倒塌計算應重點梁C的承載力，及樓板的懸掛作用等。相關計算要求同上。，樓板的傳力途徑發生改變，樓板變為由結構的整體穩定、墻A、柱A、柱B、梁A、圖3 中梁（梁B）失效后的樓板傳力途徑4.（梁C）失效在緊急情況下，由于梁C的失效，導致相應樓板支承的，樓板的傳力途徑發生改變，樓板變為由墻A、梁B和梁C支承的三邊支承板（圖4）。防倒塌計算應重點梁B，及樓板的懸掛作用等。相關計算要求同上。結構的整體穩定、墻A、柱A、柱B、梁A、圖45. 剪力墻失效的計算參照柱。5 防倒塌設計計算結果的比較及結論（梁C）失效后的樓板傳力途徑緊急情況下與正常情況下相關構件的承載力需求比較見表2。緊急情況下與正常設計情況下相關構件的配筋比較表2計算方法及模型緊急情況下與正常設計情況下相關構件的配筋或截面比較轉變途徑法（柱B）失效梁 A配筋基本不增加柱 A柱穩定有保障，配筋沒有增加樓板不起作用結構 2007.12編號 zby206 結論（1）對一般結構構件采用轉變途徑法進行防止結構連續倒塌設計是可行的，就該工程而言，考慮各種局部破壞情況時，基本不增加費用（增加的僅是構造設計費用）；對結構設計中不能破壞的特殊結