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建筑结构在冲击负载作用下连续倒塌分析方法

摘要：建筑物在冲击负载作用下的连续倒塌已经引起了全世界的极大关注。对于一个经济的，安全的，能够抵抗冲击负载作用下连续倒塌的建筑结构设计，连续倒塌分析是必不可少的。因为连续倒塌的灾难性特点，和为了抵抗它而潜在的建造和改造建筑物的高额费用，所以连续倒塌分析方法是绝对必要且可信的。对于工程师们而言，他们估算连续倒塌的方法不仅仅要求精确和简要，而且容易上手，立竿见影。因而，最近许多研究者都在发展可靠有效和直接的连续倒塌分析方法上花费了很多的精力。在最近的干物上，当前在文献资料中找得到的关于连续倒塌的分析方法被重新审阅。人们广泛讨论它们的适宜性、适用性和可靠性。我们也提出了最近刚刚完成的关于钢筋混凝土框架在爆破荷载下的连续倒塌新分析方法。

关键词：连续倒塌分析；建筑结构；爆炸荷载；冲击荷载

连续倒塌被定义为“由于一个基本的局部构件失效在构件之间扩散最终造成整个结构或者是不成比例的一大部分倒塌”。其含义为一个或者一组关键承重构件的失效造成周围构件的失效和部分或者是整个结构的倒塌。建筑结构的连续倒塌可能由一系列的意外和人为的因素造成，比如：错误的建造顺序，偶然过载造成的局部失效，爆炸和地震造成的关键组件的损坏。这篇论文仅仅研究了特殊荷载（如：爆炸和冲击），造成的建筑结构连续倒塌的分析。

随着最近Alfred P．Murrah联邦大楼和世界贸易中心（WTC）的倒塌，许多的研究更多的关注如何建造抵抗由于爆炸和冲击荷载造成连续倒塌的建筑。对于一个经济的，安全的，能够抵抗冲击负载作用下连续倒塌的建筑结构设计，连续倒塌分析是必不可少的。因为连续倒塌的灾难性特点，和为了抵抗它而潜在的建造和改造建筑物的高额费用，所以连续倒塌分析方法是绝对必要且可信的。对于工程师们而言，他们估算连续倒塌的方法不仅仅要求精确和简要，而且容易上手，立竿见影。因而，最近许多研究者都在发展可靠有效和直接的连续倒塌分析方法上花费了很多的精力。

目前可行的结构连续倒塌分析方法可以被大致分为两类：直接模拟法，这种方法直接模拟了使结构破坏和建筑物倒塌的爆炸荷载效应，和非耦合交替荷载路径法，这种方法通过模拟由于移除关键承重构件造成的不同水平的损坏来对结构进行分析。在最近的干物上，当前在文献资料中找得到的关于连续倒塌的分析方法被重新审阅。这些文献既有优点又有不足之处。人们广泛讨论它们的适宜性、适用性和可靠性。我们最近也提出了刚刚完成的关于钢筋混凝土框架在爆破荷载下的连续倒塌新的分析方法。

1、建筑结构连续倒塌分析方法

在这个部分，现今在文献中可以找到的结构连续倒塌分析方法分为两类，直接模拟法和交替荷载路径法。

1.1 直接模拟法

在直接模拟法中，建筑结构，气流和爆炸都被细致的建立到模型中去。对于爆炸产生的冲击波的传播方式和其与结构之间的相互作用都需要模拟，或者，需要导出作用在建筑结构上的爆炸和冲击荷载并使它们直接作用在结构构件上。大多数爆炸和冲击造成的材料非线性反应和动力效应还有损坏都被包括在这种模拟当中。在这个部分，我们会列出直接模拟法在建筑结构连续倒塌分析方法中的几种典型的应用，每种都有各自的特点。

1.1.1 爆炸荷载下的建筑倒塌的直接模拟

Luccioni et al 曾经对一座真实的建筑物进行了结构倒塌分析。这座建筑叫做“AMIA”，属于阿根廷犹太人互济会，被恐怖分子袭击并倒塌。在这项分析当中，用3维固体构件（包括钢筋混凝土柱，梁和砌体墙）组装成这座建筑物的模型。

这座建筑的结构倒塌分析分为两个阶段。分析的第一个阶段，包括模拟即时引爆的爆炸本身。第二阶段包括建筑与爆炸产生的冲击波之间的效应和相互作用。分析考虑了冲击波激起的气流产生的唯一的荷载。爆炸所产生的地面运动，没有考虑。倒塌的建筑物的数值结果如图2所示。数值结果和恐怖袭击之后拍摄的照片比较可以看出：数值分析准确的重现了在爆炸荷载作用下建筑的倒塌过程。实际损坏和数值模拟的结果的很好的一致性，证明了细致化的结构、材料和

爆炸效应模拟对于这种分析是必需的，并且是现今唯一能够成功的进行的对整个建筑的完整倒塌分析的方式。

这是利用直接模拟方法分析结构连续倒塌的一个很好的例子。这种方法能够成功的预测由于爆炸和冲击荷载造成的连续倒塌的过程。可是，要达到这种准确度是要花费很大的代价的。为了导出准确的材料参数，需要先做很多的实验。建筑结构、空气和爆炸都需要细致的建模，这样就需要成千上万的基本单元。特定的算法和软件也同样需要用来计算“冲击波—结构”相互作用，同时得到结构的损坏和倒塌特性。因此，这是非常费时，而且需要有渊博知识结构动力学，损伤力学，动态材料性能和计算技能。

1.1.2 世界贸易中心倒塌分析

Quan和Brinbaum用AUT0DYN 3D计算机程序对世界贸易中心北塔进行了冲击和倒塌的计算机三维模拟，用数值的方式重现了9月11日世界贸易中心北塔整个受冲击和倒塌的过程。

他们的模型包括整个世界贸易中心北塔的建筑和波音767客机。模拟中运用的三维有限单元模型包括了总共270 000根梁和壳单元。所有围墙上以及中央核心中的柱都被简化，以梁单元来模拟，而非使用固体元素或壳单元。楼板和屋顶用AUTODYN壳求解器来建模。波音767客机也用AUTODYN壳求解器和拉格朗日求解器来建模。

完整的模拟包括四个部分：静力平衡计算得到初步压力和重力引起的应变;对波音767客机撞击北塔的模拟；撞击泄漏的燃料燃烧造成的北塔强度和刚度的衰减；最后，重力作用引起的北塔连续倒塌。图4给出了一个典型的结果，它表示了材料在塔遭受撞击之后6.5秒的位置。可以看到，建筑高度的一半已经倒塌了。计算结果表明，对北塔遭受撞击和倒塌的科学合理的、真实的、可行的方案可以通过数值模拟得到。在连续性分析中，一个在建模过程中合理的简化，比如用简单的单元来代表复杂的结构构件性能，不会影响到结果的准确性，同时可能会显著的减少模型大小。这样能够节省大量的计算内存和计算时间，特别是对复杂的结构，如高层建筑。当然，特定的有限的单元仍然需要形成。

1.1.3 DYN法分析钢筋混凝土框架连续倒塌