|
文献速读 Nature：通过倒塌隔离阻止建筑物中的故障传播  题目 Arresting failure propagation in buildings through collapse isolation 通过倒塌隔离阻止建筑物中的故障传播 来源 出版年份：2024年 来源：Nature 通讯作者：西班牙瓦伦西亚理工大学Jose M. Adam 研究背景 据统计，2000年至2019年内因建筑物倒塌引起的灾害造成了2.97万亿美元的经济损失，并夺走了约123万人的生命。建筑物倒塌的特点可归因于由极端或异常事件（如地震、洪水、风暴、山体滑坡、爆炸、车辆撞击，甚至是施工或设计错误）引起的局部初始故障传播。由于全球极端事件发生频率和破坏性呈上升趋势，无论造成破坏的潜在威胁如何，当前亟需设计出坚固耐用且对初始破坏不敏感的建筑结构。 现有多数稳固性设计方法旨在向结构系统内提供广泛的连接性以完全防止局部失效后引发倒塌。虽然这些措施可确保失效构件支撑的荷载重新分配到结构其他部分，但在考虑更大的初始失效时则既不可行也不持久。在这些情况下，这些方法甚至会导致建筑物的部分倒塌，并拖垮结构其余部分。一些重大倒塌事故均由较大的初始倒塌造成的，这一事实引发了研究者对当前坚固性措施不足的担忧。 过往研究主要集中于防止初始失效后引发倒塌，而非防止倒塌扩展。这种趋势可追溯至1968年罗南角公寓部分连续倒塌后，在结构稳固性领域进行首次具有影响力的研究。尽管完全防止倒塌比限制倒塌范围更可取，但难免会发生不可预计的事件，且重大建筑倒塌事件也时有发生。 研究出发点 受蜥蜴尾部自动切除以逃离危险的启发，可将结构系统分离成多个部分，通过沿预先确定的分段边界促进受控裂缝来限制失效扩展，从而将不同部分结构系统在倒塌蔓延时隔离，有效防止建筑物倒塌传播。然而，该方法有效性尚未得到实践。 研究内容 本文提出了一种用于延缓由巨大初始破坏引发建筑物倒塌的创新方法。所提出的基于层级结构的倒塌隔离设计可确保在运行条件下和建筑局部初始倒塌后有足够的连通性，通过重新分配荷载从而完全防止倒塌发生。同时，所设计的结构系统还可将倒塌分离成不同部分，并在倒塌不可避免地扩散时将其隔离。此外，本文所开发方法需精确描述所需控制的倒塌传播机制特征，故将基于层级结构的倒塌隔离应用于框架式建筑结构，并通过计算模拟以及通过专门设计的全尺寸建筑局部倒塌测试验证。本文所得结果表明，在建筑设计中采用基于层级结构的倒塌隔离方法是可行的。  图1 基于层级结构的倒塌隔离和计算模拟  图2 建筑设计和测试  图3 备用加载路径有效时的建筑的C11柱挠度与梁深比值（δ）和红线处梁所示应变情况  图4 分段和局部倒塌  图5 建筑设计概要  图6 所测得实验数据和模拟预测值对比  图7 设计H柱和设计C柱承受小型初始失效的计算模拟  图8 设计H柱和C柱承受较大初始失效所需内力和承载力包络线  图9 测试中所考虑的初始故障场景  图10 专门设计用于拆卸柱的可拆卸支架 图11 完全加载和部分加载建筑试件模拟对比 图12 阶段1（在图2d和图10中，使用专门设计的可拆卸支架准静态拆除两个倒数第二边缘的柱子）期间测得的柱轴向力重新分布 主要结论 本文提出了一种基于层级结构的倒塌隔离设计方法，用于延缓由巨大初始破坏引发建筑物倒塌。本文将其应用于框架建筑结构，已通过一座全尺寸预制建筑进行局部倒塌测试验证。主要结论如下： （1）传统稳健性设计所采用的广泛连通性可能会在发生较大的初始故障后导致灾难性倒塌。为此，本文开发了一种基于控制倒塌过程中故障等级的倒塌隔离设计方法，即确保连接失效发生在支柱失效前，从而降低了整个结构系统其他部分的倒塌传播风险。 （2）该方法可以较低的成本阻止传播性倒塌，而不会损害结构在小规模初始失效后完全防止倒塌开始的能力。 本文所提方法可作为极端事件导致重大建筑物倒塌时的最后一道防线。这为在不同建筑类型和不同建筑构件中开发、测试和实施所提出的解决方案铺平道路。这一发现为稳健性设计提供机会，将催生新一代避免灾难性建筑倒塌的解决方案。 |
|
|
