毕业设计论文超静定体系桥梁连续倒塌机理分析及应对方法研究

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1、毕业设计（论文）中文题目： 超静定体系桥梁连续倒塌机理分析 及应对方法研究英文题目：Study on Statically Indeterminate Bridges Progressive Collapse Mechanism Analysis and Response Method学 院：土木建筑工程学院专 业：土木工程学生姓名： 学 号：06231223指导教师： 2010 年 6 月 7 日北京交通大学毕业设计（工作日志I）学士论文版权使用授权书 本学士论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学士论文的规定。特授权北京交通大学可以将学士论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供

2、阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 指导教师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日目录目录II工作日志IIV工作日志III设计任务书I开题报告1中文摘要21Abstract211 绪论231.1 选题背景及意义231.1.1 选题背景231.1.2 研究价值241.2 研究现状241.2.1 建筑结构连续倒塌研究241.2.2 桥梁结构连续倒塌研究261.3 论文研究内容及技术路线271.3.1 研究内容271.3.2 研究方法282 连续倒塌机理分析312.1 倒塌机理及分析方法312.

3、1.1 倒塌机理312.1.2 拆除构件法312.2 连续倒塌对策333 钢桁梁连续倒塌分析373.1 有限元模型建立373.1.1 初始局部破坏的确定和实现373.1.2 材料特性383.1.3 结构及构件破坏准则的确定383.1.4 荷载取值383.1.5 建模方法393.1.6 模型建立403.1.7初始状态内力特点433.2 钢桁梁上弦杆的初始破坏443.2.1上弦杆的内力变化443.2.2下弦杆的内力变化463.2.3 竖杆内力变化473.2.4 斜杆内力变化483.2.5 纵向联结系杆件内力变化513.3 钢桁梁下弦杆的初始破坏523.3.1上弦杆的内力变化533.3.2下弦杆的内

4、力变化543.3.3竖杆内力变化553.3.4斜杆内力变化563.3.5 纵向联结系杆件内力变化583.4 钢桁梁腹杆的初始破坏603.4.1 竖杆的初始破坏603.4.2 斜杆的初始破坏623.5 本章小结664 钢桁梁连续倒塌对策694.1 总体原则694.2 控制初始破坏694.2.1 控制突发事件的发生694.2.2 加强局部抗力694.2.3 限制破坏范围704.3 保证传力路径的连续性704.4 延长结构破坏时间715 结论736 不足与展望757 致谢77参考文献79附件：翻译83原文183译文197原文2107译文2120工作日志I题目： 超静定体系桥梁连续倒塌机理分析及应对方

5、法研究 专业： 土木工程 学生姓名： 马 骁 学号： 06231223 时 间 2010 年 3 月 1 日 至 2010 年 3 月 14日工作重点撰写文献综述工作内容：查询连续倒塌相关中文、外文文献。从查询到的文献中，通过阅读摘要部分选择阅读重点。工作思路：阅读文献时，首先把握连续倒塌的研究现状，然后根据现有研究成果，重点理解连续倒塌定义、研究方法、评估过程等主要学术思想以及相关规范的修订情况，从而思考论文的研究思路。工作成果：撰写文献综述，并根据文献的参考价值及对未来论文的贡献情况，选择“Progressive Analysis Procedure for Progressive Col

6、lapse”、“Robustness Assessment of a Cable-stayed Bridge”作为外文翻译。指导教师意见： 签字： 日期： 题目： 超静定体系桥梁连续倒塌机理分析及应对方法研究 专业： 土木工程 学生姓名： 马 骁 学号： 06231223 时 间 2010 年 3 月 15 日 至 2010 年 3 月 28日工作重点撰写开题报告工作内容：根据文献综述撰写开题报告，确定论文研究思路，初步制定论文研究路线。工作思路： 论文将采用拆除构件法对典型的超静定体系桥梁进行连续倒塌分析。预计工作分为三个主要环节：建立模型 拆除构件 数据处理分析 结论和对策。根据当前的研究

7、现状，决定选取钢桁梁体系进行研究，由此确定当前阶段的主要任务建立钢桁梁有限元模型。工作成果： 完成了开题报告以及英文翻译部分，着手建模的准备工作，进行模型参数选取。指导教师意见： 签字： 日期： 题目： 超静定体系桥梁连续倒塌机理分析及应对方法研究 专业： 土木工程 学生姓名： 马 骁 学号： 06231223 时 间 2010 年 3 月 29 日 至 2010 年 4 月 11日工作重点建立钢桁梁有限元模型工作思路：参考实际工程案例，确定桥梁跨度、节间长度、桁高、主桁中心距等参数，确定支承条件为简支。根据传力路径特点确定模型构成及其相互连接方式。模型中包括主桁、纵梁、横梁、桥面板。纵横梁中

8、心线与桥面板中心线设置在同一水平面上。纵梁铰结在横梁上，桥面板铰结在纵梁上或者纵梁和横梁上，横梁两端铰结在主桁下弦节点上。确定主桁杆件采用link8模拟，桥门架杆件和纵横梁采用beam4模拟，桥面板采用shell63模拟。工作成果：得到了钢桁梁的一个有限元模型，运行计算，得到了初始状态时结构的内力。指导教师意见： 签字： 日期： 题目： 超静定体系桥梁连续倒塌机理分析及应对方法研究 专业： 土木工程 学生姓名： 马 骁 学号： 06231223 时 间 2010 年 4 月 12 日 至 2010 年 4 月 25日工作重点拆除杆件分析，准备中期答辩工作思路：根据得到的模型，采用单元生死功能（

9、“ekill”命令）实现杆件的拆除。由于要拆除的杆件数量多，编写通用命令流来实现快捷操作。将杆件按照类型分别进行拆除，考虑到结构的对称性，只取1/4结构杆件进行分析，得到分别拆除单一的上、下弦杆以及竖杆、斜杆后结构的内力值。考虑到要研究结构的内力重分布，因而通过计算杆件与初始状态相比的变化程度来描述这一现象。工作成果： 得到了各杆件的内力变化情况。将所得结果汇总，准备中期答辩。指导教师意见： 签字： 日期： 题目： 超静定体系桥梁连续倒塌机理分析及应对方法研究 专业： 土木工程 学生姓名： 马 骁 学号： 06231223 时 间 2010 年 4 月 26 日 至 2010 年 5 月 9日

10、工作重点模型调试工作思路：汇总结果中，当拆除跨中左侧的上弦杆时，结构全部杆件内力减小，减小幅度高达2个数量级。针对这种异常情况，采用试验的方法检验模型的正确性。目前模型节间数为8，从结构中删除左侧节间，或在左侧增加节间，分别对节间数为5、6、7、9的模型进行研究，发现仅7、8、9出现这种异常，且不成规律变化。因而判定模型存在错误。由于实际的铁路钢桁梁桥纵梁上铺设轨枕而非桥面板，首先从先前模型中将桥面板删除。其次，纵梁与横梁的耦合增加了软件的计算强度，采用简化方法，模型中也不考虑纵梁，仅将其荷载加在与横梁连接处。第三，ekill命令多用于施工阶段中，进行线弹性分析可直接将杆件从模型中删除。工作成

11、果：得到了有效的钢桁梁有限元模型。 指导教师意见： 签字： 日期： 题目： 超静定体系桥梁连续倒塌机理分析及应对方法研究 专业： 土木工程 学生姓名： 马 骁 学号： 06231223 时 间 2010 年 5 月 10 日 至 2010 年 5 月 24日工作重点1汇总内力结果，进行分析；2 给出连续倒塌应对策略工作内容：对得到的内力结果输出汇总。研究拆除特定杆件前后，剩余结构的杆件内力变化。工作思路：首先，考虑依循节点对传力路径进行探究。即拆除某一杆件后，研究与其共节点的杆件的内力变化，然后研究这些杆件的另一端节点连接的杆件的内力变化。按照分析的顺序，对先后涉及到的杆件进行分类，分类时按内

12、力增大和内力减小进行。则传力路径是由这些内力减小的杆件构成的传力途径到内力增大的这些杆件构成的传力路径进行转变。如果对新的传力路径上的杆件进行加强，可能会避免由于杆件破坏引起的第一轮杆件破坏。经过对拆除某根上弦杆的试分析发现，由于每根杆件都连接于两个节点，在分析过程中，会导致分析重复，这种重复导致了分析的迂回，干扰了传力路径的下一步分析，无法得到有效的传力路径。改用按照杆件类型分析。分析某一类杆件失效后，其他几类杆件的内力变化情况。根据内力变化结果，可以初步判定杆件失效后，内力明显增大的杆件在新的传力路径中起到重要作用。然而，工程的优化过程中，存在着一类典型问题：只加强某些弱势杆件，可能导致其

13、他杆件相对变弱。即加强这些内力增大的杆件，可能会导致沿另一条路径的杆件破坏。因而，抗连续倒塌对策须从结构整体出发，针对杆件的加强措施可行性较低。工作成果：分析得到了不同类型杆件对于结构抗连续倒塌的贡献。指导教师意见： 签字： 日期： 题目： 超静定体系桥梁连续倒塌机理分析及应对方法研究 专业： 土木工程 学生姓名： 马 骁 学号： 06231223 时 间 2010 年 5 月 25 日 至 2010 年 6 月 6日工作重点成果整理，形成论文工作思路：参考建筑结构的连续倒塌预防方法，结合已得到的钢桁梁某类杆件发生初始破坏时的内力重分布情况，给出钢桁梁体系的抗连续倒塌对策。工作内容：对得到的成

14、果进行汇总整理，形成论文正文。撰写摘要，编写目录，形成论文初稿。指导教师意见： 签字： 日期： XII北京交通大学毕业设计（工作日志II）工作日志II题目： 超静定体系桥梁连续倒塌机理分析及应对方法研究 专业： 土木工程 学生姓名： 马骁 学号： 06231223 责任指导教师： 韩冰 指导组组长意见：是否同意参加答辩： 签字： 日期： 备注：学生毕业设计答辩前，土木工程专业（含铁道工程方向）至少需填报7份工作日志，环境工程专业学生至少需填报8份工作日志，否则不能参加答辩。II北京交通大学毕业设计（任务书）设计任务书题 目： 超静定体系桥梁连续倒塌机理分析及应对方法研究 适合专业： 桥梁工程

15、指导教师（签名）： 提交日期： 2010 年1月14 日学院：土建学院 专业：土木工程 学生姓名： 马骁 学号： 06231223 毕业设计（论文）基本内容和要求：基本内容：1. 开题报告；2. 分析超静定体系桥梁连续倒塌机理；3. 分析大跨复杂体系桥梁的连续倒塌特征及模式；4. 应用优化理论给出典型大跨复杂体系桥梁预防连续倒塌方法；5. 不少于4万字符的英文文献翻译。要求：1. 掌握桥梁结构稳定理论和方法；2. 掌握最优化理论和方法；3. 掌握ANSYS或MIDAS软件。毕业设计（论文）重点研究的问题：1. 超静定桥梁结构连续倒塌机理分析；2. 超静定桥梁结构连续倒塌的应对方法研究。毕业设计

16、（论文）应完成的工作：1. 文献综述；2. 超静定桥梁结构连续倒塌机理分析；3. 典型桥梁连续倒塌模式分析；4. 预防桥梁连续倒塌的方法。参考资料推荐：另行规定。其他要说明的问题：北京交通大学毕业设计北京交通大学毕业设计（开题报告）开题报告题 目： 超静定体系桥梁连续倒塌机理分析及应对方法研究 学院： 土建学院 专业： 土木工程 学生姓名：马骁 学号：06231223文献综述：一 课题背景连续倒塌是指结构在偶然荷载作用下，由于局部破坏引起与初始破坏不成比例的、结构构件的连锁破坏，最终使结构丧失承载力，造成结构部分或全部的坍塌。通常，连续倒塌仅发生在几秒钟之内，会造成惨重的人员伤亡和财产损失，产

17、生恶劣的社会影响。目前已经发生的建筑结构连续倒塌的原因，除了设计、施工、运营因素外，突发偶然事件的影响更是较为多见的原因。然而，建筑结构在设计时，主要依据一般规范要求和常见荷载进行设计，无法对不可预见的、危险性很大的突发事件进行设计。因而，结构在突发事件作用下，往往不可避免的发生局部破坏。局部破坏后，残余结构将发生内力重分布，寻找新的传力路径。如果结构的整体性较弱，残余结构无法承担荷载，结构的破坏将不局限于局部破坏，而会连带引起其他相邻构件发生破坏，进而造成结构的部分或全部的破坏，即发生连续倒塌。虽然突发偶然事件发生概率很小，但历史上的连续倒塌事故并不少见。 1968年伦敦Ronan Poin

18、t公寓的倒塌事件引起了人们对结构连续倒塌的重视。此后40余年间，大型公共建筑结构由于局部破坏而引发的整体坍塌事故屡有发生，对公共安全造成严重威胁。而超静定体系桥梁作为结构的一种形式，同样也不可避免的存在连续倒塌的问题。1972年，意大利四跨连续梁高架桥坎纳维诺（the Viadotto Cannavino Bridge）在施工中，局部的模板失效，而结构缺乏抵抗连续破坏的鲁棒性，导致整座桥梁发生倒塌。1992年，韩国首尔新海洲大桥（the Haeng-Ju Grand Bridge）在施工过程中，一个临时墩的失效引起连续11跨800m的桥面发生连续倒塌。我国也同样存在桥梁连续倒塌的问题。近些年，

19、随着大量桥梁的兴建，连续倒塌问题尤为突出。2007年6月15日，广东九江大桥被一艘运输船撞击桥墩，桥面系统在坍塌过程中引起相邻桥墩的垮塌，进而引发了其它两跨的连续倒塌。2007年8月13日，由于主拱圈砌筑材料不满足规范要求，以及施工工序不当，湖南省凤凰县沱江大桥在拆除施工支架时，1号孔主拱圈靠近0号桥台一侧3至4米宽范围内，砌体强度达到破坏极限而坍塌，受连拱效应影响，整个大桥迅速坍塌。2008年5月12日，汶川地震中，四川百花大桥第5联17号桥墩的失效，引起第5联14-18跨连续梁的全部整体倾覆。连续倒塌破坏模式暴露了结构对于抵抗初始局部破坏和连续性破坏的薄弱性。针对结构的这种缺陷，如何采取恰

20、当的方法来应对连续倒塌成为当前亟待解决的问题之一。未雨绸缪是应对结构连续倒塌的主导思想。因此，最优的应对方法是：在进行初始设计时，就对结构的抗连续倒塌能力进行评估，采取抗连续倒塌设计。目前，国际上衡量结构抗连续倒塌能力的方法，可分为两类：一是依靠反应结构整体性或对连续倒塌敏感的几个指标（主要包括冗余度、延性、鲁棒性等），二是对结构模型进行有限元仿真。虽然不少学者对相关指标的定义、影响因素等问题从多方面进行过研究，但是仍有许多问题亟需解决，如结构冗余度对其鲁棒性的贡献等。结构的连续倒塌对人们的生命和财产构成了严重威胁，存在巨大的潜在危险和隐患。但目前关于连续倒塌的研究尚未成熟，而我国在这方面更是

21、处于起步阶段。即便在现有的结构连续性倒塌研究中，也是针对框架或剪力墙等多、高层建筑的研究居多，而桥梁体系研究很少。桥梁作为人流密集的交通枢纽，作为大型公共建筑，其突发事件下的结构安全要求不言而喻。因而，深入开展对桥梁的连续倒塌机理与应对方法的研究，是很有必要的。本设计将着眼于结构体系的整体性能，考察不同部位局部破坏对整体结构安全性的敏感性影响，以及阻止这种破坏性质的合理机制。通过有限元软件对大跨复杂体系桥梁的连续倒塌过程进行仿真模拟，总结分析此种结构的连续倒塌特征，进而分析超静定体系桥梁连续倒塌机理，并针对连续倒塌模式，使用优化理论给出预防方法。为今后桥梁连续倒塌的系统研究提供一些参考和依据。

22、二 连续倒塌研究现状1定义目前对连续倒塌定义的描述尚无统一的标准。美国土木工程协会在ASCE 7-05 2005中，把连续性倒塌的定义描述为Progressive collapse is defined as the spread of an initial local failure from element to element resulting,eventually,in the collapse of an entire structure or a disproportionate large part of it.英国规范UFC 4-010-01 2003，则描述为A chain

23、 reaction failure of building members to an extent disproportionate to the original localized damage.虽然描述存在分歧，但普遍认同的是，连续倒塌具有两个特征：一是结构发生连锁破坏，二是最终的破坏与初始局部破坏不成比例。2相关规范规程2.1主要国家规范发展历史1968年，Ronan Point公寓连续倒塌后，英国吸取教训。在1976年的建筑法规（Building Regulations）中，对5层和5层以上的建筑进行针对偶然事件的考虑时规定1：结构在偶然荷载下不应发生与初始破坏不相称的大范围坍塌，

24、并提出了拉结强度设计、构件的跨越能力设计和关键构件设计3种设计方法。1975年，加拿大国家研究委员会NRCC（National Research Council of Canada）在国家建筑规范中也对结构的抗连续倒塌性能做了一系列规定。19世纪70年代初期，美国房屋和城市发展部在工业厂房项目“Operation Breakthrough”中采用了同期英国规范的要求。1973年，纽约市建筑规范（NYC,1973）也将连续倒塌纳入规定中来。1981年美国的国家建筑规范中出现了有关连续性倒塌的条款。1995年美国Alfred P Murrah联邦政府办公楼倒塌、2001年世贸双塔倒塌后，美国对设计

25、标准也进行了相应的调整。美国公共事务管理局编制的GSA 2003(联邦政府办公楼以及大型现代建筑连续倒塌分析和设计指南和美国国防部编制的DoD 2005建筑抗连续倒塌设计较为详细地阐述了结构抗连续性倒塌的设计方法及流程。2001年世贸双塔倒塌后，日本钢结构协会（JSSC）应日本钢铁联盟JISF的要求，设立了高层建筑钢结构冗余度研究委员会，与美国高层建筑与城市生态环境委员会（CTBUH）展开了一项为期两年的合作研究，研究了冗余度对抵抗结构连续性倒塌破坏的作用和高性能耐火钢的开发应用前景，并提出了简单的高层建筑抗倒塌设计验算方法；另外，对大跨空间结构的敏感性分析也作了一定的研究工作。作为这项研究的

26、成果，日本钢结构协会和美国高层建筑与城市生态环境委员会联合编制了倒塌控制设计指南，分设计卷和研究卷两卷2。我国尚抗连续性倒塌研究起步较晚。在现行混凝土结构设计规范GB500103 第3.1.6 条规定：结构应具有整体稳定性，结构的局部破坏不应导致大范围倒塌。在实际工程应用中缺乏依据性和可操作性。现行建筑抗震设计规范中也有类似的规定：应避免部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震承载力或对重力荷载的承载能力。目前，我国已启动高层建筑混凝土结构技术规程的修订工作，拟补充有关结构抗连续倒塌的设计规定。2.2 相关规范规程2.2.1英国建筑法规Building Regulations 建筑法规经几次修

27、订，连续倒塌要求的适用范围已经不再局限于五层及以上的建筑当中，而有了更广阔的适用空间。自英国将抗连续倒塌设计方法纳入结构设计流程得三十余年间，英国陆续发生了一些大规模的爆炸事件，它们对结构的破坏都仅限于局部范围内，这说明这些方法是比较有效的。目前，英国正考虑将结构抗连续倒塌设计的应用扩至更大的范围，但考虑经济性将参考欧洲规范中的规定对建筑按照安全等级进行分类设计。2.2.2欧洲规范Eurocode 1Eurocode 1 规定4，结构必须具有足够的强度以抵御可预测或不可预测的意外荷载。规范中的抗连续倒塌设计分为两个方面，一个方面基于具体的意外事件，另一方面则独立于意外事件，设计目的在于控制意外

28、事件造成的局部破坏。与英国规范相比，其主要优点是对建筑物的安全等级进行了分类，提高了经济性。根据不同的建筑安全等级，选用拉结强度法、拆除构件法或关键构件法。2.2.3 加拿大国家建筑规范NBCC1975年版国家建筑规范the National Building Code of Canada（National Research Council of Canada 1975）在4.1.1.8章节结构整体性中规定5：建筑及结构体系应具备足够的结构整体性、强度和其他防御措施，以抵抗由于严重超载或偶然荷载导致的局部失效而引发的连续倒塌。其后该规范经过多次修订。现行的1995年版规定，建筑结构的抗连续倒塌

29、设计与GSA设计规范保持一致，通常通过构件之间连接的构造要求来实现。2.2.4 美国2.2.4.1美国混凝土协会标准ACI 318-02规范中要求6，构件配筋和构件连接构造应有效保证构件之间的拉结连接，增强结构的整体性，具体包括：钢筋在支座处应连续贯通，钢筋搭接的位置和要求，钢筋端部弯钩的要求等。对预制装配结构应采用沿建筑周边的纵向、横向和竖向拉结，并对拉结强度做了详细规定。该规范简单给出了为实现结构延性和整体性所需采取的构造措施，并没有给出抵御连续倒塌的设计方法和具体的设计措施。2.2.4.2美国连续倒塌分析与设计准则GSA2003该准则考虑了建筑的用途、使用年限、结构材料、结构构造等多方面

30、的因素，给出了一个判断建筑是否可以免于进行抗连续倒塌分析的流程。还建议了一些可供采纳的概念性的设计措施来提高建筑抵御连续倒塌的能力，包括提高结构冗余度、延性、连续性和考虑反向荷载作用等，并在附录中提供了进行结构构件尺寸和细部构造初始设计的流程供设计者参考，工程实用性较好。2.2.4.3 美国国防部建筑物反恐最低标准DoD 2005规范首先将建筑分为极低、低、中、高四个安全等级，对应不同的安全等级采用从简单到复杂的设计方法。此外，还规定了材料设计强度取值、荷载组合及允许的倒塌破坏程度判断等一系列问题。规范对拉结强度的规定基本上遵循英国相关规范中的要求，对拆除构件法则进行了比较详细的规定，并提供了

31、线性静力、非线性静力和非线性动力三种分析方法的具体步骤。规范还规定了承重构件的拆除、荷载的计算、破坏限制、容许准则等内容。2.2.4.4 联邦紧急事务管理局出版物FEMA-273 1997,FEMA-274 1997虽然该出版物的主要目的是指导建筑物的地震修复，且没有直接列出连续倒塌的分析方法，但提供了详细的分析过程，尤其是能通过简单的分析方法来评估结构响应。该规定给出了连续倒塌的两种分析方法：简单分析法和复杂分析法。其中简单分析法包括二维、三维的线弹性静力分析法，复杂分析法包括三维非线性静力或动力分析法。两种出版物都明确了每种分析方法的使用范围。3连续倒塌机理关于结构连续倒塌的机理，可从传力

32、路径和能量两方面来解释。大部分的研究都是由结构传力路径来解释，即7连续倒塌是由于结构承载模式或边界条件发生变化，造成结构内的部分单元超出承载能力而失效，原来的荷载重新分布，残余结构不得不寻找可替代的荷载传递路径，导致剩余构件承载条件发生变化，进而引发部分构件发生失效，并引起新一轮的荷载重分布。这个过程一直持续到结构找到新的平衡状态，即卸掉因单元失效而产生的荷载或找到新的稳定传递荷载路径为止。还有一些学者从能量角度来分析连续倒塌机理。按照热力学第一定律，在任意设定边界的封闭系统中能量是守恒的。偶然荷载的相当于对结构的能量输入，由结构的杆件和节点进行消能，当构件的破坏引起结构其余部分即刻丧失承载能

33、力(如形成机构)时，结构由于外部作用所释放的能量向结构消能的转化受到抑制而失效8。4 连续倒塌分析方法按照分析过程的不同，连续倒塌分析可分为9：连续倒塌风险评估和连续倒塌仿真。前者采用合适的分析方法对已有建筑或拟建建筑进行连续倒塌风险分析，主要应用于抗连续倒塌设计；后者则对结拘连续倒塌的全过程进行模拟。4.1 连续倒塌风险评估连续倒塌从本质上讲，是一个动力过程，并且伴随着非线性。合理地考虑动力效应及非线性是进行连续倒塌评估的关键和难点所在。根据是否考虑非线性和动力效应，连续倒塌可采用9,10线性静力分析、非线性静力分析、线性动力分析、非线性动力分析四种分析方法。(1)线弹性静力分析是连续倒塌分

34、析最基本和最简单的方法。具有相对简单、计算快捷、容易操作、结果易于评估和确认的优点。缺点是没有考虑动力影响，如动力放大系数、阻力和惯性力；没有考虑材料的非线性特征。因而仅限于简单结构可预测的行为。(2)非线性静力分析普遍用于结构承受侧向荷载的情况，通常被称为“倾覆分析”。逐步施加荷载直至达到最大荷载或最大位移，加载过程中允许结构构件的非线性变形。优点是考虑了材料的非线性特征。缺点是没有考虑动力影响；相对复杂；耗时；结果过于保守。适用于相对简单结构的可预测行为，不能有效用于连续倒塌分析。(3)线弹性时程分析（动力分析）优点是考虑了结构的动力特性。缺点是没有考虑材料的非线性；费时；较复杂；需要额外

35、计算来获得时间步长和内力；对于塑性较大的结构，动力放大系数、惯性力、阻尼力计算不准确。适用于塑性不大的结构。(4)非线性时程分析是最精确的分析方法，考虑了动力特性和材料的非线性特征。但非常复杂，因而需要大量人力物力，且需要广泛的查证和结果验证，结果很难评估。使用时，为简化模型和节约计算时间，常常减少考虑非线性的次数。4.2 连续倒塌仿真指综合运用固体力学理论和非线性有限元数值分析技术，对结构连续倒塌的全过程进行仿真。研究重点在于建立与实际工程相符合的正确模型。而建模中的难点主要在于对不连续位移场的描述、接触碰撞分析以及结构倒塌过程中大位移、大转动的描述。目前有四种倒塌仿真方法9：有限元法、离散

36、单元法或散体单元法（修正有限元法）、在非线性功能强大的通用有限元软件（如ANSYS，MARC等）的基础上进行二次开发、采用显式动力有限元分析软件（如LSDYNA）对结构连续倒塌过程进行仿真。5 防止连续倒塌的措施防止结构连续倒塌可以从偶然事件控制和进行连续倒塌设计两个方面入手。但偶然事件控制几乎不可能做到，因而抗连续倒塌设计就成为防止结构连续倒塌的主要措施。现有的抗连续倒塌设计方法可分为直接设计法和间接设计法。直接设计法主要包括改变传力路径法、关键构件法。而间接设计指一些概念性设计措施，还包括拉结强度法。5.1间接设计法(Indirect Design)5.1.1概念设计如前所述，一些规范中给

37、出了预防连续倒塌的概念性设计措施。这些措施主要包括以下几个方面：（1）增强结构鲁棒性。鲁棒性是评定结构抵抗连续破坏能力的一个重要指标。虽然“鲁棒性“这一术语出现在很多连续倒塌研究中，但其定义的描述尚未统一。GSA 2003将鲁棒性定义为：结构或结构构件抵抗偶然荷载（如爆炸、撞击、火灾及其他人为影响等）而不发生过早的或脆性破坏的能力。结构鲁棒性是结构对局部破坏的不敏感程度。Biondini认为11：鲁棒性是结构体系承受一定破坏而不发生与初始破坏不成比例的损坏的能力。国内学者方召欣9则给出了鲁棒性的能量解释：结构在不发生与初始损伤起因不相称破坏的情况下能够充分消纳或转化外部的能量输入的能力。这种以

38、能量原理评价鲁棒性的优势在于能量原理的普遍适用性，能够为不同的材料和结构形式的结构鲁棒性分析提供概念上的指导。结构的鲁棒性与延性、冗余度有关。一般来说，构件延性越好，结构在损伤状态下的消能能力越强，而且能缓解损伤破坏过程中的动力效应，鲁棒性越好。冗余度有局部冗余和整体冗余9之分，它们对于鲁棒性的贡献是不同的。对于结构的冗余性能，不少研究者曾从确定性、概率或熵的角度进行过研究，但尚未形成有效的评价体系。但仍有两个问题亟待解决：如何有效评价结构在局部损伤，承载方式或边界条件改变前后的冗余性能；如何衡量结构局部和整体冗余对鲁棒性的贡献。（2）采用延性材料等延性构造措施，实现延性破坏。结构在遭遇偶然作

39、用时，局部构件通常会因受力过大进入塑性状态。选用延性好的建筑材料用于结构主体和节点连接，可提高结构塑性变形能力和内力重分布的能力。同时，还可以避免结构发生脆性破坏，为人员的逃生和营救争取时间。加强连接构造，保证结构的整体性和连续性；（3）提高冗余度。一方面要确保结构冗余，确保某些关键构件失效后，结构具有替代承载路径可以进行荷载/内力重分布；另一方面，要谨慎对待和处理局部冗余，尤其要确保关键构件、部位的冗余水平。（4）合理的结构布置。选择既能够抵抗连续坍塌，也能有效承受地震和风荷载的结构体系，使结构的侧向承力系统具备承受侧向荷载和抵抗连续坍塌的双重作用，避免结构的薄弱处；（5）考虑反向荷载作用1

40、2。对诸如煤气爆炸或其它类型爆炸这类偶然事件而言，构件可能在偶然事件发生时陷入冲击波的旋涡9，从而使得某些构件承受和正常设计方向相反的荷载，或使构件产生动力回弹。因此，无论对于主要受力构件还是次要受力构件，均应考虑偶然作用和正常设计荷载可能反向。（6）楼板/梁的悬链线作用。结构因偶然作用发生局部破坏时，若失效的柱是上部主梁的支承，结构不发生继发性连续破坏的前提就是梁柱的连接节点有足够的拉结力，使得主梁能充分发挥其悬链线作用10，继续承受楼板的自重和部分活荷载。对砼结构，可通过在梁底设置通长的钢筋或拉索来发挥梁的悬链作用；对钢结构，可通过加强梁柱节点，使得柱失效后，梁柱节点保持连续性，从而发挥梁

41、的悬链作用。（7）在适当位置设置附属消能装置。通过发挥附属装置的消能性能，来减轻结构本身关键部位的消能压力。5.1.2 拉结强度法(the Tie Force)通过结构现有的构件或连接提供足够的拉结，提高结构的连续性、延性及更多的荷载传递路径，从而提高结构抵抗连续倒塌的能力。按照拉结的位置和作用可分为内部拉结、周边拉结、对墙/柱的拉结以及竖向拉结四种类型。对于各种拉结，要求传力路径连续、直接，并对拉结强度进行验算13。该方法比较简单，能一定程度上保证结构在连续性和整体性上的基本要求，不显著改变结构构型，而且不过多增加建造费用。5.2 直接设计法(Direct Design)5.2.1 改变传力

42、路径法（The Alternate Load Path Method）又称拆除构件法。通过移除一根或几根主要的竖向受力构件，然后对剩余结构进行计算分析，来评估结构抗倒塌能力。对于高层建筑或空间结构等构件数量众多的结构，不可能逐一移除后分别进行连续倒塌分析，应选择移除后可能导致剩余结构最不安全的一根或几根构件作为待移除的构件。此方法的难点在于合理选择拆除的构件。GSA 2003对典型建筑结构的拆除构件做出了规定，但对于不规则的结构，设计者须根据工程经验判断拆除位置。该方法能较真实的模拟结构的倒塌过程，评估结构抗连续倒塌的能力，且设计过程不依赖于偶然荷载，适用于任何情况的结构破坏分析。但设计繁琐，

43、费时且浪费资源。5.2.2 关键构件法(The Specific Local Resistance Method)对于无法满足拆除构件法要求（即拆除后可能引发结构大范围坍塌）的结构构件，应设计成为关键构件，使其具有足够的强度能一定程度上抵御偶然荷载作用。然后用实际加载的此关键构件是否失效来评估结构是否会发生连续倒塌。该方法能一定程度上减轻局部破坏发生的程度，从而降低连续倒塌发生的可能。设计中将这种方法和拆除构件法结合起来，既能有效改善结构抵御连续倒塌的能力，又能减少建造费用。6当前研究存在的问题 虽然有些国家出台了一些规范对结构的连续倒塌做了一些引导，但这些规范存在诸多不足之处，尚须进一步完善

44、。这些不足之处主要表现在：（1）对建筑物的安全等级分类不健全如目前英国建筑规范的抗倒塌设计中，着重加强结构本身的抗倒塌能力，并不对建筑的安全等级进行分类，使得工程经济性大大降低。我国可参照抗震规范中的建筑安全等级分类来进行。（2）抗连续倒塌设计方法有待进一步论证目前规范中规定的抗连续倒塌设计方法，工程实用性较低。即便有些规定了各种抗连续倒塌设计方法的使用条件，但具体的复杂工程还是需要工程师自行判断，这些将导致不同的结构抗连续倒塌能力。（3）结构连续倒塌评估体系需进一步完善现存的四种连续倒塌评估方法（线性静力分析、非线性静力分析、线性动力分析、非线性动力分析）各具优缺点。总体规律是，结果精确度越

45、高，耗费的人力物力越大。如何在同时保证结构的安全性和经济性的条件下，取得最优解，是一个实际工程中必须考虑的问题。而这个问题在相关规范中并未提及。据此，S. M. Marjanishvili提出了一种渐进式评估方法9（the progressive analysis method）有待实际工程的考证。（4）可预见事件的合理量化对于某些可以预见的事件（如爆炸和撞击）进行统计分析，根据经验或者理论研究来假定它们造成的荷载作用，由此来进行构件的设计和结构形式的布置。（5）结构鲁棒性与结构整体性指标的关系目前，鲁棒性与结构延性、冗余度的定量关系尚未确定。将结构的鲁棒性量化，是精确描述结构抗连续倒塌能力的

46、一个重要思路。三 发展动向分析结构的连续倒塌研究尚未发展成熟，因而未来有很大的发展空间。在连续倒塌仿真方面，综合运用固体力学理论和非线性有限元数值分析技术，对结构连续倒塌的全过程进行仿真，是当前研究工作的前沿。通过对连续倒塌过程模拟，分析其薄弱环节，能更高效地防止结构的连续倒塌。然而，不合理的模型将导致分析结果与实际工程的严重偏离，故此项工作的难点和重点在于形成等效的结构的有限元模型。在抗连续倒塌设计方面，概念设计方面有足够的发展空间。一方面，将偶然荷载数值化是各国规范未来的发展动向。目前，英国的建筑规范已经将爆炸力量化，在进行结构设计时考虑。根据偶然荷载出现的统计规律，采用概率理论来进行设计

47、。其合理的取值，对于保证结构的安全性和经济性至关重要。另一方面，对表现结构抗连续倒塌性能的指标的研究也成为一种研究趋势，如目前的主要性能指标鲁棒性。主要参考文献：1 胡晓斌.结构连续倒塌分析与设计方法综述A.首届全国建筑结构技术交流会专辑C.北京.2006.2 江晓峰.大跨桁梁结构体系的连续性倒塌机理与抗倒塌设计研究博士论文.上海：同济大学,2008.3 GB50010-2002，混凝土结构设计规范 S. 中国建筑工业出版社，2002.4 Draft prEN 1991-1-7 Eurocode 1-Actions on structures. Part 1.7: General Action

48、s - Accidental actions S.European Committee for Standardization，2005.5 Bruce R. Ellingwood.Mitigating Risk from Abnormal Loadsand Progressive CollapseJ Journal of Performance of Constructed Facilities.2006:315-323.6 Building code requirements for structural concrete (ACI 318M-02) and commentary (ACI

49、 318RM-02) S.American Concrete Institute，2002.7 方召欣，李惠强，潘维强，王玉英.结构连续坍塌防控的几点新思路J.四川建筑科学研究，2008，32（4）：97-100.8 方召欣，李惠强结构鲁棒性与风险防控J工程力学，2007，24(1)：79-829S.M.Marjanishvili. Progressive Analysis Procedure for Progressive Collapse J. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2004, 18(2):79-85.10 梁益

50、,陆新征,缪志伟,叶列平.结构的连续倒塌：规范介绍和比较A. 第六届全国工程结构安全防护学术会议论文集C. 洛阳. 2007.11 Marco Haberland, Uwe Starossek. Progressive Collapse NomenclatureJ. Structures 2009:1886-1895.12陈俊岭,马人乐,何敏娟.防止建筑物连续倒塌的措施J.特种结构，2005，22（4）：13-15.13 Progressive collapse analysis and design guidelines for new federal office buildings an

51、d major modernization projectsS. U.S. General Service Administration，2003.14 Uwe STAROSSEK. Progressive Collapse of BridgesAspects of Analysis and DesignA. International Symposium on Sea-Crossing Long-Span BridgesC. Mokpo, Korea.2006.15 Dimitris Diamantidis . Robustness of buildings in structural co

52、des A. Joint Workshop of COST Actions TU0601 and E55, C. Ljubljana, Slovenia.2009.16 National Research Council of Canada 197517 Donald O.Dusenberry,Principal,Gunjeet Juneja. Review of Existing Guidelines and Provisions Related to Progressive Collapse .18 R. SHANKAR NAIR. Progressive Collapse Basics.

53、19王晶,高磊,蒋玉明,石磊,李青狮.关于国外抗连续性倒塌设计规范的研究J.爆破,2009, 26(1):37-41. 20 Steven W. Kirkpatrick,Robert MacNeill. Methodologies for Progressive Collapse AnalysisJ. Structures ,2009:1126-1136.21 Amin Ghali,Gamil Tadros.Bridge Progressive Collapse VulnerabilityJJournal of Structural Engineering.1997,123(2):227-23

54、1.22Robert Smilowitz. Analytical Tools for Progressive Collapse Analysis.23 H. S. Lew. Best Practices Guidelines For Mitigation of Building Progressive Collapse.24 Ahmad Saad, Aly Said, and Ying Tian.Overview of Progressive Collapse Analysis and Retrofit TechniquesA. 5th International Engineering an

55、d Construction Conference (IECC5)C. Los Angeles,2008.25 Uwe Starossek. progressive Collapse Study of a Multi-Span Bridge J. Structural Engineering International, 1999,2:121-125.26 Structural use of concrete: Part 1: Code of practice for design and constructionS. British Standard Institute，1997.研究方案：

56、本设计主要完成的任务为：1超静定桥梁结构连续倒塌机理分析；2超静定桥梁结构连续倒塌的应对方法研究。针对此项任务，本设计将在现有研究的基础上，采取连续倒塌仿真的评估方法，利用有限元软件ansys的计算功能，选取典型超静定桥梁结构形式，对其在偶然事件下的连续倒塌过程进行模拟仿真。分析时，采用目前应用较广的拆除构件法进行连续倒塌分析。根据仿真结果，分析其连续倒塌模式，找出结构薄弱性，力图从结构整体的角度探索超静定体系桥梁连续倒塌的共性，分析超静定体系桥梁连续倒塌机理。然后运用最优化理论，对结构的薄弱部位进行加强，给出防止结构连续倒塌的最优解。并结合现有的预防桥梁连续倒塌研究成果，给出预防方法和措施。具体研究步骤为：1 建立典型桥梁结构形式的有限元模型；2 采用拆除构件法，拆除结构中的某一构件，对剩余结构在拆除这一构件后的倒塌过程进行仿真；3 根据仿真结果，分析结构薄弱处；4根据桥梁的内力特征，寻找桥梁的倒塌模式；5 针对薄弱处，研究适当的加强措施；6 加强薄弱处，对此种情况下的桥梁在拆除相同构件下的倒塌模式进行仿真，并与2中的仿真结果进行比较，同时验证5中防连续倒塌措施的正确性。预期成果：得到超静定桥梁结构的连续倒塌机理、典型桥梁的连续倒塌模式（ansys结果）、预防桥梁连续倒塌的方法。毕业设计（