[发明专利]建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及建筑领域中的防倒塌方法，具体是指建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，它广泛适用于钢结构工程领域张弦结构设计中预应力索的防连续倒塌的分析与设计。

背景技术

建筑结构的连续性倒塌是指结构因偶然荷载的作用造成结构局部破坏失效，继而引起与失效破坏构件相连的构件连续遭到破坏的连锁反应，最终导致相对于初始局部破坏更大范围的倒塌破坏，甚至全部倒塌。这些偶然荷载一般是指结构设计中没有考虑的意料之外的荷载，如煤气爆炸、炸弹袭击、车辆撞击、火灾、飓风、地震、基础沉降等，其造成的损伤往往是巨大和难以估计的。

人们关注建筑结构因局部破坏而引起连续倒塌的问题，最早始于上个世纪六十年代，因伦敦发生公寓楼因天然气爆炸而导致倒塌的事件，第一次引起了人们对建筑结构连续倒塌的关注，因此，英国是率先在建筑规程中考虑防连续倒塌设计的国家，而美国则是到了将近30年后的1995年发生了俄克拉马州的Alfred P Murrah大楼被炸弹炸毁后才开始重视防连续倒塌的研究，并且直到2001年的911事件，纽约世贸中心双塔被飞机撞击后发生了灾难性的连续倒塌，事后对双塔的倒塌过程进行仿真分析得知，双塔的倒塌直接原因是火灾导致的钢材软化和楼板塌落冲击荷载引起的连锁反应，此后，美国才陆续出台了防连续倒塌分析和设计的GSA准则和统一设施标准的UFC标准，前者确立了两种非线性分析方法及其不同的破坏准则等；后者则确立了建筑物的设防等级和相应的设计方法。

随着建筑结构遭遇偶然荷载的作用(含恐怖袭击)概率的增大，目前国外对于安全等级较高的建筑结构，工程师在建筑结构设计时都必须进行结构的防连续性倒塌设计，保证结构在一定安全可靠度之下具有防连续倒塌的能力，当偶然作用造成结构局部破坏时，结构能够通过多种荷载路径内力重新分布阻止破坏过大范围的蔓延，尽可能减少人员的伤亡和结构的破坏程度。

我国在美国911事件发生后，也开始了对建筑结构的防连续倒塌方面的研究，但尚没有制定出相应的设计规范或规程，仅在《混凝土结构设计规范》中给出防连续倒塌设计原则，《高层建筑混凝土结构技术规程》给出防连续倒塌的基本要求，这些都是针对混凝土结构的防连续倒塌设计，且并没有给出相应的具体的条文要求和设计方法，缺乏在实际的建筑工程建设中的可操作性。只是对于重大的建筑项目引入防连续倒塌的设计，属于个案摸索、没有统一的设计准则要求。

建筑钢结构中的张弦结构是一种张力结构，它是以一系列受拉的索作为主要承重构件，这些索按一定规律组成各种不同形式的结构体系，并悬挂在相应的支撑结构上。从力学角度看，钢索区别于杆件结构的主要特征是柔性构件，只能受拉，而抗压缩、弯曲、剪切及扭转的能力极低。索也经常承受横向载荷，产生横向变形，但它又不同于弯曲梁，索的弯曲刚度也极低，其横向载荷主要由轴向拉力来平衡。

预应力索常用于张弦结构设计中，是在结构承受荷载之前，预先对布置的钢索施加拉力，使其在服役期间，利用预加的拉、压应力全部或部分抵消载荷导致的压、拉应力，避免结构变形过大而遭到破坏，从而提高部分结构的刚度，平衡结构自重，改善结构的受力，使其在外荷载作用时的结构部分变形和相应的位移较小，以便结构在正常使用的情况下不因为变形过大而产生破坏。由于钢索特殊的力学性能，非常适于房屋和构筑物大跨度的结构形式，在张弦结构的设计中鉴于预应力索的巨大作用，其在大型公共建筑结构(机场、体育场馆、超高层建筑等)的使用广泛和频繁，张弦结构中预应力索能充分发挥高强材料的受拉性能，受力合理，自重轻，构造简单，施工方便，可以更经济地运用于大跨度结构，传力途径明确，其不足之处在于：张弦结构存在冗余度较少的缺陷，一旦预应力索失效，极容易引起连锁反应，造成大面积人员及财产损失，随着建筑结构遭偶然作用(含恐怖袭击)概率的增大，全世界对建筑结构的防连续倒塌能力要求都逐渐地提高，张弦结构设计中预应力索的防连续倒塌的设计就显得尤为重要了。