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如何防止结构倒塌? ——杨博士每周一问【拾捌】

 zhaxx 2018-08-13

如何防止结构倒塌?

A专家: 《建筑结构抗倒塌设计规范》修订意见征集,内容包括但不限于抗地震倒塌设计、防连续倒塌设计、防火灾倒塌设计、施工及加固过程中防倒塌设计等。


B专家: 可供讨论的问题包括:什么是倒塌?如何给出比较规范的倒塌模拟方法?如何判别模拟结果出现了倒塌?


C专家: 大震不倒的定义和可接受准则?特大地震是否需要研究?特大地震下的倒塌容许水平?结构的抗倒塌能力到底需要多大?


D专家: 连续倒塌的定义和可接受水平?连续倒塌是否只可以拆除一个构件?连续倒塌需要考虑哪些灾害源?不同结构体系抗连续倒塌的设计方法?连续倒塌设计和其他防灾设计的冲突和解决办法?


E专家: 火灾、飓风、恐袭、强震。


F专家: 确实,现在弹塑性报告中经常一句话,叫做“位移角小于规范限制,满足大震不倒的要求”。我觉得这句话是不是有点太粗糙了,应该如何理解大震不倒?


G专家: 从世贸双塔、汶川地震实例到佛州人行桥等再加缩尺倒塌模型,进行海量数值模拟反演,看能否找到关键持征值。工程浩大且未必能出结果。


H专家: 要想防止倒塌,真正的倒塌分析是必要的(倒塌仿真模拟),这样才能挖掘出每个个体建筑薄弱点,做到有针对性地加强完善。要想一个建筑不倒,我们需要弄清楚它是怎么倒下的。这就是向死而生!


I专家: 倒塌分析能为结构方案比选提供终极依据。也能为结构优化的有效性提供依据,就是看优化的结果是否让建筑更不容易倒掉了。这就把只为省钱作为优化(损害结构安全储备)目标的优化轻松PASS了


J专家: 随着地震强度不断增大  倒塌是必然的  关键是让结构如何倒塌  是形成整体倒塌机制的强柱弱梁倒塌  还是形成层间倒塌机制的强梁弱柱倒塌。


K专家: 这个问题汶川地震后就讨论过,是否一定要做到“强柱弱梁”?还是只要满足了倒塌要求,倒塌模式可以不做规定?


L专家: 如果能验算满足倒塌要求,当然可以,但能验算倒塌仿真倒塌的人太少了。


M专家: 对一个城市来说可能考虑哪些建筑需要考虑巨震以及和韧性城市设计结合更宜(需要城市规划专业一起探讨)。在广州西塔设计时探讨过: 国内的弹塑性分析很多判别准则来源于国外,如果国内大学和研究所能系统研究并给出符合国内设计一系列实验或案例对比并形成我们的准则就好了。哈工大,华工和清华等高校给我们一线同事多多指导。


N专家: 桥梁设计是强梁弱柱破坏机制,实现预期破坏很重要,就像电路设计一样,安装有保险丝,电流超了,保险丝先断,而不用太多关注,电流为什么会超?


O专家: 这就是所谓的“失效模式优化与控制”问题。能力设计(强柱弱梁或三强三弱),就是实现预期失效模式的一种方法。但由于不确定性的存在,失效模式会发生转化,未必会按预期的模式失效。


P专家: 我们课题组的观点是:现行抗震设计方法很难真的做到“强柱弱梁”,与其针对一个假定的破坏模式去研究,还不如直接基于结构真实的“强梁弱柱”破坏模式去研究。2014年鲁甸地震再次证明即便按照2010版抗规仍然无法保证强柱弱梁。


Q专家: 倒塌分析整好是一套比较好的验证工具。可以用来验证结构真实的失效模式是否和我们设想的失效模式一致。


R专家: 先要满足了能力设计法的前提,再去应用能力设计法。


S专家: 现阶段存在的问题是,我们的框架很多时候根本不满足能力设计法的基本假定,大家缺依然基于能力设计法来得出结论,这就不对了。


T专家: 根据之前新西兰等的研究,要保证现浇楼盖体系做到强柱弱梁,强柱弱梁系数要到2.0以上。这样一来实现代价和难度都要很大。


U专家: 我拿已盖好的框架做过弹塑性分析,7度区,结果不好。


V专家: 我们认为这里面其实有一个很重要的概念:不满足强柱弱梁 不等于 结构抗震不安全。强柱弱梁是满足结构抗震安全一个比较高效的手段,但是不是唯一的手段。


W专家: 对于一线设计人员来说,经过反复的周密分析,严格按照规范要求的设计,最终是否达到了设防目标,是否真的能满足大震不倒,心里是没谱的。目前的确缺乏有效的验证手段,弹塑性分析还不能直接地回答能否倒塌的问题。


X专家: 我现在很多楼必做大震弹塑性分析,特别是小框架。


Y专家: 这里面其实是两个不同的设计思路。一个设计思路是“过程控制”,通过严格控制结构的破坏模式,最终保障可以达到设计目标。一个思路是“结果控制”,通过验算结构的抗倒塌能力,满足目标就可以,未必一定要控制设计过程和机制。


Z专家: 过程控制更具可操作性,结果控制更符合结构设计的本质。


AA专家: 不做不知道,一做吓一跳,大部份是柱铰机制,虽然满足规范层间位移角要求。


AB专家: 研究大多“不考虑楼板与填充墙”。如果考虑,相信很多研究都成废纸。


AC专家: 强烈同意,失效模式其实是结果,失效路径才是过程。失效模式不易控制,但是失效路径可以控制。


AD专家: 关于能力设计方法的系统性研究和论述,要算是新西兰的PARK教授,在其1970年代的著作里首先针对SEAOC规范的种种规定进行解释论述,最后结合试验研究成果给出了全面系统的能力设计方法,之后逐渐被世界各国规范所采纳。然而,遗憾的是,park教授在其著作里已经明确说明了,既使完全实现了能力设计,也不能保证一定是梁铰屈服机制,可是后人都将能力设计奉为神明,并没考虑其适用是有条件的。


AE专家: 1.能控制的尽量控制;2.不能控制的倒塌仿真。


AF专家: 能力设计不能保证梁铰屈服机制的一个根本原因,就是由于地震作用的复杂性和随机性以及结构抗震能力的不确定性,造成失效路径发生随机转化,从而导致失效模式未按预期发生。这正是结构抗震设计的困惑所在。


AG专家: 美国的性能设计也需先进行概念能力设计。确认那些地方是潜在塑性铰区,那些地方能坏,那些地方不能坏,再进行弹塑性分析。只是保险丝的大小、强度不完全按通常规范。


AH专家: 这个思路我们课题组之前做过很长时间。其实最后的结果就是要强柱弱梁满足需求,基本上框架的抗震设防烈度要提升一度(7度差不多做到8度水平)。


AI专家: 传统规范的能力设计法不一定要遵守,但能力设计概念还是需要的,不能随随便便搞个设计,其它的交给计算机,搞个弹塑性或倒塌分析满足规范位移角就ok。


AJ专家: 我们之前思路是先把柱子按照弹性建模,然后进行弹塑性分析,看看柱子到底受到多大的地震力。然后再根据这个地震力来设计。后来发现还不够,因为还有各种随机性的问题,所以进一步给柱子和梁都加上了离散性系数(考虑梁的偶然超强和柱子的偶然偏弱)。这样折腾下来配筋梁就非常高了。


AK专家: 严格按照能力设计法是确实正确的,针对结果验算也是可以的。但是现在的设计方法是“假设”我们的设计满足能力设计法,然后就按照能力设计法做设计,最后设计结果也不验算。这个就不对了。


AL专家: 不一定要完全强柱弱梁,柱的损伤小于梁,不出现层间柱铰倒塌机制都是可以接受的。

AM专家: 比如楼板,规范就未考虑对梁负弯矩及框架刚度的影响。应考虑“强刚比”。承载能力比结构刚度吸引的内力高多少作为设计指标。


AN专家: 从倒塌的角度上看,7度框架是偏低的,6度、7度三级、四级框架我们觉得不够安全。


AO专家: 地震能量是从底往上传递。震害大多发生在首层及刚度突变较大部位。重点这些地方加强就可以了吧?


AP专家: 比如这些部位柱箍筋封闭焊接全高加密,保证混凝土不溃散。


AQ专家: 曾提出了一个关于构件重要性的设计方法,对重要部位加强储备,可以有效提升整体结构性能。现在设计规范对一层柱子和顶层柱子用的是一样的设计方法,从逻辑上看是不合理的。越重要的构件储备应该越高。


AR专家: 咱们的框架设计不区分延性,应该按延性大小给出不同延性框架的延性等级和相应的设计要求。


AS专家: 对六七度区应该重点从材料、构造、屈服机制等关注大震、超大震的抗连续倒塌。


AT专家: 规范给的是最低标准,具体情况大多需要设计人员把控,建议规范对重点部位再加强,并作为强条。


AU专家: 按中震设防,小震根据不同延性等级除以相应的修正系数。


AV专家: 咱们现在的作法是统一除以3,不考虑延性等级。




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