［关键词］连续倒塌;试验研究;数值模拟;理论研究;重大工程应用

工程结构在偶然极端荷载(如火灾、撞击、爆炸等)的作用下可能会由于局部破坏而引起整体结构的连续倒塌，导致人民生命和财产损失。世界上典型的结构连续倒塌破坏案例包括英国ＲonanPoint公寓倒塌事故、“9·11”恐怖袭击事件的世贸中心倒塌、俄克拉玛城汽车炸弹袭击事件导致的AlfredPMurrah联邦政府办公楼倒塌等。我国《建筑结构抗倒塌设计规范》(CECS392∶2014)［1］规定，连续倒塌是指结构在发生局部破坏后，“由初始的局部破坏，从构件到构件扩展，最终导致一部分结构倒塌或整个结构倒塌”。例如，在俄克拉玛城汽车炸弹袭击事件中［2］，汽车炸弹的初始袭击位置位于结构的G20柱子附近，结构的破坏主要由于爆炸造成的G20柱的移除以及G16和G24柱的剪切破坏，随后，由于被破坏构件的上部梁无法重新分配不平衡的重力荷载，使得初始破坏在结构系统中的传播，进而导致了整体结构的严重破坏(图1)。近年来，我国也发生了一些典型的工程连续倒塌事故，例如，2014年11月17日，位于济南某小区的在建车库由于回填土产生的意外荷载，造成了地下车库发生大面积倒塌［3］;2017年8月19日，北京市石景山区西黄村A-E地块地下车库顶板覆土施工时，由于部分节点承载力不足导致约600m2的顶板局部坍塌等［4］。

工程结构在偶然事件下发生连续倒塌按照是否考虑偶然事件的成因可以分为灾害相关类(threatdepent)和灾害无关类(threat-indepent)［5］。其中，灾害相关类研究考虑了可能造成结构连续倒塌的具体原因，例如火灾、撞击、爆炸等。目前，国内已有诸多研究考虑了不同偶然极端荷载下结构的连续倒塌响应。

试验研究方面，Li等［6］试验对比了不同钢筋混

图2国内外连续倒塌论文增长趋势

凝土(ＲC)构件节点构造在火灾下的梁机制和悬链线机制阶段的连续倒塌性能改变;Jiang等［7-8］完成了局部火灾工况下，结构构件与平面框架的连续倒塌试验，并提出了相应的数值模型;Lou等［9］则对一足尺钢框架结构进行了火灾工况下倒塌试验;高超等［10］则进行3层ＲC框架结构在不同炸点位置、不同距离、不同爆炸当量等条件下的爆炸荷载试验，研

究其动力响应、失效模式和连续倒塌破坏机理。

数值模拟方面，李易等［11］研发了考虑温度场与应力场耦合的纤维模型与分层壳模型，英明鉴等［12］应用该模型分析了超高层钢筋混凝土框架-核心筒结构在极端火灾工况下的连续倒塌响应;Jiang等［13］开发了用于模拟钢结构构件火灾下力学行为的OpenSees模型;阎石等［14］和丁阳等［15］采用有限元方法，分别针对ＲC框架结构和钢框架结构，对爆炸荷载下的连续倒塌机理进行了分析，明确了爆炸荷载传递的路径、方式及引发的最终倒塌结果;程小卫等［16］提出一种多尺度建模方法，模拟ＲC框架结构在车辆撞击作用下的连续倒塌行为。

总的说来，灾害相关类连续倒塌研究可以从结构倒塌破坏根源揭示由于不同偶然荷载而导致的结构连续倒塌过程和机理，对制定具体灾害下的结构防连续倒塌策略有重要的参考价值。但是，由于连续倒塌是具有强非线性的大变形破坏过程，不同灾害导致的结构局部破坏成因相差很大，基于灾害相关类研究难以总结出同时适用于多种灾害下结构防连续倒塌设计的研究结论。

为了防止工程结构在偶然事件下发生连续倒塌，我国《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068—2001)［17］、《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)［18］均指出当采用偶然荷载作为结构设计的主导荷载时，应保证结构不致因偶然荷载引起连续倒塌(即主要承重构件不失效，或局部破坏后剩余部分具备不发生连续倒塌的可靠度)。此外，我国现行的结构设计规范均对工程结构倒塌做了不同详细程度的规定，包括《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)［19］、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)［20］、《钢结构设计标准》(GB50017—2017)［21］、《组合结构设计规范》(JGJ138—2016)［22］等。例如，我国《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)［19］专门给出了混凝土结构的防连续倒塌设计原则;《钢结构设计标准》(GB50017—2017)［21］中对倒塌可能引起严重后果的重要结构，增加了防连续倒塌的设计要求等。除此之外，我国的第一部专用设计规范《建筑结构抗倒塌设计规范》(CECS392∶2014)［1］也于2015年5月1日起正式施行。

结构的防连续倒塌是指在整体结构中的局部竖向构件发生破坏后，通过合理的设计，完成不平衡荷载在结构系统内的重分布，从而达到防止结构倒塌的目的。防连续倒塌设计主要通过提高水平构件(梁或楼板)的承载能力，使得在个别竖向构件发生破坏后，剩余结构具有足够的跨越能力来承担重新分配的重力荷载，例如拆除构件法或拉结法等。其中，采用拆除构件法进行防连续倒塌设计时，首先选择结构中的典型竖向构件，逐个拆除被选择的构件并计算结构的响应，通过剩余构件的内力或塑性转角判断结构是否满足防连续倒塌设计要求［1］。采用拉结法设计时，主要通过荷载设计值计算构件所需的拉结力(或弯矩)，再通过截面配筋设计提高构件的防连续倒塌承载力。拉结法设计主要包括:1)周边水平构件拉结;2)内部水平构件拉结;3)内部水平构件对周边竖向构件拉结;4)竖向构件竖向拉结等［1］。需要注意的是，目前的拆除构件法和拉结法的基本力学模型都是针对单个竖向承载构件失效进行分析，但这并不意味抗连续倒塌设计仅考虑一个构件发生破坏后的连续倒塌风险，而是该方法可以简单有效地检验和增强结构的替代传力路径、承载力冗余和结构连续性，从而提高结构的整体性、降低连续倒塌风险［23］。该思想也被应用于连续倒塌的相关试验、数值和理论研究中。

3.1试验方法

在灾害无关类研究中，结构连续倒塌试验主要基于拆除构件法，按照加载方式，可以分为静力试验和动力试验。典型的连续倒塌静力试验装置见图3，4［24-25］，假设结构/子结构中的部分构件遭受破坏而被移除，试件两端通常锚固于相对稳固的边界以模拟外围剩余结构的约束，利用作动器作用于构件移除位置处，不断施加向下的拟静力荷载，直至结构/子结构完全破坏。试验中施加的荷载类型可分为集中荷载与分布荷载，集中荷载主要适用于梁加载(图3)，而分布荷载则更适用于楼板加载(图4)。与静力试验相对的则是动力试验，典型的连续倒塌动力试验装置如图5，6所示。考虑动力加载过

程的试验方法可以更好地研究结构在竖向构件突然失效后的动力效应，包括材料的应变率效应、动力放大系数等。动力试验中，施加的荷载通常包括两种:1)在试验试件上施加质量块模拟上部结构传递下来的荷载，常用于梁试件的加载试验［26-28］，典型试验装置见图5;2)在试验试件上施加堆载，主要针对楼板试件，典型试验装置见图6［29］。结构连续倒塌动力试验的加载方式也分为两种，包括:1)失效柱头部分承载力由吊钩承受，随后通过释放吊钩实现

图5动力加载试验装置-施加质量块释放吊钩动力加载［26

移除构件的动力加载;2)在失效构件位置下方布置竖直支撑，随后突然旋转移除支撑从而释放支撑力实现动力加载。

静力试验可以获得结构倒塌抗力和抗倒塌机制随着变形不断增大、材料损伤逐渐演化过程的连续变化规律，但是忽略了倒塌动力效应的影响。动力试验可以获得固定重力荷载下的结构动力响应，但在有限试验数量的限制下只对若干性能点的结构损伤和动力效应进行检验。因此两类研究的目标不同，但都对认识结构的连续倒塌机理具有研究意义。

图6动力加载试验装置-施加楼板堆载释放支撑动力加载［29］

3.2混凝土结构

在已有研究中，钢筋混凝土结构是最常见的结构连续倒塌研究对象，Yi等［30］较早进行了三层平面ＲC框架结构的拟静力试验。试验考虑了框架中柱失效工况，在失效柱头处施加集中力荷载，以研究平面ＲC框架连续倒塌过程中的梁机制、悬链线机制的响应。

随着连续倒塌研究不断深入，相继有大量学者开展了钢筋混凝土子结构的连续倒塌试验，并对梁机制阶段的压拱效应以及连续倒塌过程中楼板、填

图6动力加载试验装置-施加楼板堆载释放支撑动力加载［29］

充墙等的贡献有了更加深入的认识，获得了大批重要的试验数据。Su等［31］通过两跨混凝土梁的子结构试验，验证了连续倒塌中梁机制阶段的压拱效应，讨论了梁的跨高比、纵筋配筋率和加载速率等因素对压拱承载力的影响。随后Yu和Tan［32］，王英等［33］开展了梁-柱子结构的连续倒塌试验，同样讨论了几何属性和材料属性等因素对梁机制与悬链线机制承载力的重要影响，王浩［34］则研究了ＲC框架结构水平向连续倒塌破坏机理。

除此之外，我国学者还开展了一些钢筋混凝土整体结构的连续倒塌试验，Xiao等［41］开展了1/2缩比的3跨×3跨×3层空间ＲC框架结构的连续倒塌试验(图7)。结果表明，ACI318-08［42］规范中C类的抗震构造措施可以提供角柱或内柱失效的内力重分布需求，悬链线机制的发展需要梁端钢筋的充分锚固，当锚固能力不足时便会引发局部倒塌等。其他的学者，例如吴赵强［43］，邹圆［44］，仉庆文［45］，陈庆伟［46］，王少杰［47］等也分别开展了空间或平面的缩比钢筋混凝土框架的连续倒塌静力或动力试验，讨论了不同因素的影响，积累了宝贵的试验数据。

近年来，装配式建筑发展迅速，但其在发生连续

倒塌时的破坏机理尚未明确。Qian和Li［48-49］对栓接和焊接两种干式连接的装配式ＲC结构开展了连续倒塌试验，明确了其倒塌机理。Lin等［50］提出了新型地震和连续倒塌综合防御的预制装配式ＲC框架结构，并开展了相应的节点抗震性能试验和子结构连续倒塌试验研究。

3.3钢结构

大量试验研究结果表明，钢结构连续倒塌破坏模式同样分为梁机制与悬链线机制阶段，但相比混凝土结构，钢结构在大变形下全截面受拉承载力较高，只要节点变形能力足够，钢结构可以在悬链线机制下提供显著的连续倒塌抗力，因而梁柱节点的构造形式是钢结构连续倒塌破坏模式的决定性因素，研究和实际工程中应合理评估节点构造形式及其延性，以提升结构安全性。

3.4组合结构

连续倒塌是整体结构系统的大变形力学行为，基于试验可以对局部子结构在临界倒塌大变形下的受力机理进行分析，但是最终研究和设计要针对整体结构系统展开，以研究结构系统的替代传力路径、结构冗余度等对连续倒塌的影响。数值模拟是整体结构连续倒塌研究的重要工具，通过数值分析可以更好地分析不同因素对结构防连续倒塌灾变过程的影响，典型数值分析模型包括实体单元模型、纤维模型以及引入弹簧单元的简化模型等。

4.1混凝土结构

Yu等［60］基于LS-dyna中的实体单元模型对Lu等［35］完成的带楼板边柱移除试验进行了模拟和对比，建议了材料本构和边界条件等参数选取方法，数值模拟与试验得到的整体响应匹配较好。汪训流等［61］开发了适用于钢筋混凝土结构模拟的纤维梁柱单元模型，李易等［62］应用该纤维模型，结合MSC．Marc软件的单元生死技术，实现了基于拆除构件法的ＲC框架结构的强非线性静力Pushdown分析，讨论了抗震设计对防连续倒塌设计的影响，以及楼板对连续倒塌梁机制与悬链线机制阶段的承载力增强效果等。

4.2钢结构

Wang等［52］基于ABAQUS对钢框架梁-柱子结构连续倒塌试验进行了有限元模拟，采用8节点实体单元，引入初始损伤准则和损伤发展参数，从而实现了连续倒塌过程中钢结构断裂的准确模拟(图9)。谢甫哲和舒赣平［63］、丁阳等［64］则采用简化杆系模型，根据节点的变形行为和力学特性将其简化为合适的弹簧单元，并分别进行了钢框架在动力和静力工况下的连续倒塌模拟。

4.3组合结构

王文达等［65］基于ABAQUS开发了非线性梁-柱纤维模型(图10)，并将其用于钢管混凝土结构在中柱、边柱、角柱失效工况下的连续倒塌模拟。Yang等［57］提出模拟组合结构楼板的简化数值模型(图11)。对剪力连接件、双连接角钢节点、梁柱端部连接等开展了试验研究，并将对应连接方式在数值模型中用弹簧进行模拟，利用前述试验结果对弹簧的参数进行标定。

总的说来，基于实体单元的有限元模型能充分掌握连续倒塌过程中结构各组件的力学行为，适用于结构局部的微观抗倒塌机理分析，而基于纤维梁

柱单元的模型以及简化模型等则可以用更小的计算代价掌握整体结构在发生连续倒塌时的宏观性能和抗力机理，便于参数讨论和设计应用。

在试验研究和数值模拟研究成果的有力支撑下，工程结构防连续倒塌设计理论研究取得了明显的进步，我国学者在连续倒塌抗力计算方法研究、结构不确定性和风险研究以及动力效应研究方面也取得了诸多有代表性的进展。

5.1承载力计算方法

结构防连续倒塌设计需要计算构件在梁机制阶段与悬链线机制阶段的承载力，我国学者针对梁机制阶段的压拱(图12)与压膜效应，悬链线机制阶段的拉悬链线、拉膜效应所提供的承载力计算方法均开展了大量深入研究。针对混凝土结构，Yu和Tan［66］考虑框架梁边界条件的轴向和转动约束，提出了针对混凝土梁柱子结构的压拱效应计算方法，该模型基于梁内受力平衡和变形协调条件，可通过迭代求解获取结构的承载力-位移曲线。周育泷等［67］基于楼盖系统的微观受力机理分析，建立了压拱机制下梁-板子结构系统的连续倒塌抗力分析模型。Lu等［68］提出考虑楼板与不考虑楼板的混凝土结构压拱承载力计算方法，通过收集试验数据以及有限元模型的标定，拟合得到构件的压拱效应峰值位移估算公式，利用该公式可直接由构件的几何属性估算压拱峰值位移，进而得到压拱承载力。Wang和Kang［69］则对轴向约束的钢筋混凝土梁在悬链线机制阶段行为开展分析，提出了混凝土梁柱子结构在连续倒塌悬链线机制阶段承载力的理论计算公式。除此以外，Yang和Tan［70］通过试验研究提出适用于钢框架中角钢连接在连续倒塌大变形下的承载力-位移曲线计算方法。Zhang等［71］考虑主结构细节、内部能量消耗、边界水平位移，基于修正能量法，提出了一种组合楼板中柱、边柱和角柱失效工况下连续倒塌承载力的算法。图12ＲC梁集中荷载下小变形阶段的压拱效应［68］

5.2风险研究

在连续倒塌分析中，较多的研究集中于确定性分析，而不确定性研究较少。我国学者主要针对参数不确定性分析与结构易损性分析开展了相关工作。例如，Yu等［72］和Feng等［73］考虑重力荷载、材料属性和几何形状的不确定性，分别基于拉丁超立方抽样方法和概率密度演化方法讨论了不确定性参数对钢筋混凝土框架防连续倒塌能力的影响。贾明明等［74］研究了考虑不确定性的填充墙对ＲC空间框架抗竖向连续倒塌能力的影响。采用改进的拉丁超立方体抽样法获得了性能不同纯框架与框架填充墙结构，数值分析结果表明填充墙提高了框架结构的抗倒塌能力。王浩等［75］提出了倒塌率和承载力储备值两个指标，基于所有典型初始局部破坏分析，从结构系统角度衡量整体结构的防连续倒塌性能，进而提出了一种结构防连续倒塌性能评价的工程简化方法。

5.3动力效应研究

结构连续倒塌实质上是一个动力过程，其动力效应常用动力放大系数来度量［76］。已有研究中，李易等［77-78］基于能量方法，建立了ＲC框架结构连续倒塌抗力需求分析的理论框架，推导出了ＲC框架结构及构件在梁机制与悬链线机制下的非线性动力抗力需求与线性静力抗力需求之间的关系。除此之外，很多学者基于数值模型的瞬时加载法研究了结构发生连续倒塌时的动力效应。瞬时加载法分两步:第一步计算初始失效柱内力P0，第二步在拆除构件处用内力P0支撑原结构保持稳定，随后在极短时间tp(不大于0.1倍剩余结构基本周期)内释放P0至0。已有的研究结果普遍表明，GSA2003［23］所

建议的动力放大系数2.0偏于保守［76，79-81］。

由于工程结构连续倒塌后果严重，因此，重大工程的结构的连续倒塌分析和设计越来越受到业主和设计人员的重视。根据我国《建筑结构抗倒塌设计规范》(CECS392∶2014)［1］，目前结构防连续倒塌设计方法主要包括概念设计法、拉结强度法、拆除构件法(替代路径法)、局部加强法。

朱炳寅等［82］开展了莫斯科中国贸易中心工程的防连续倒塌设计，指出普通构件设计可采用替代路径法(即拆除构件法)，仅需增加构件构造需求;针对重要不能破坏的构件则应采用局部抗力增强方法。近年来，重大工程结构的连续倒塌分析设计逐渐增多。傅学怡等［83-84］、卫东等［85］、周健等［86］、朱哲达等［87］、朱奕锋等［88］、杨名流等［89］、江龙等［90］、朱忠义等［91］、陈志强等［92］、王哲等［93］分别采用拆除构件法(也称替代路径法)，结合非线性动力(或静力)分析方法，对超高层建筑(以卡塔尔某超高层建筑结构为代表)及大跨结构(以成都双流国际机场T2航站楼和北京新机场航站楼(图13)为代表)开展了结构防连续倒塌设计，提升了重大工程结构的防连续倒塌能力。

图13北京新机场连续倒塌分析［91］在开展重大工程结构的连续倒塌设计时，由于结构中构件数量巨大，若采用拆除构件法遍历所有

竖向承重构件，则工作量巨大难以实现。因此进行拆除构件分析前，需先进行关键构件的判断，再开展后续的防连续倒塌设计。关键构件的确定方法则主要包括业主指定、概念判断(以及基于概念判断的敏感性分析方法)、广义刚度法、构件应变能法等。一些实际工程中，蔡建国等［94］基于概念判断的敏感性分析方法确定重要构件;赵广坡等［95］、丁阳和孙健［96］基于概念判断和广义结构刚度的重要性系数共同确定关键构件;潘毅等［97］基于概念设计，以柱的轴压比为依据来确定关键构件;张煊铭等［98］基于应变能确定关键构件。

工程结构的防连续倒塌研究可以有效减小或避免由于意外事件所导致的整体结构破坏、人员伤亡及经济损失等。21世纪以来，我国专家学者在工程结构防连续倒塌领域开展诸多卓有成效的研究。本文从试验研究、数值模拟、理论研究及工程设计实践等多方面入手，通过文献调研分析总结了我国目前在工程结构防连续倒塌领域的科学研究和工程应用现状。结果表明，我国的连续倒塌研究十分活跃，2000年后结构的连续倒塌相关论文呈快速增长趋势，在连续倒塌相关的主流研究领域均有涉及，且在多方面均取得了代表性成果。

在灾害相关的连续倒塌研究领域，国内已经开展了大量的考虑火灾、爆炸、撞击等荷载相关的结构连续倒塌研究。在灾害无关的连续倒塌研究领域，已有研究主要基于拆除构件法，针对工程常见的混凝土结构、钢结构、组合结构等多种结构形式均开展了大量构件或整体结构的试验、数值及理论研究工作，积累了大量的宝贵的试验数据，并提出了新的高效设计计算方法，极大推动我国的工程结构防连续倒塌设计体系的进步。

当然，在未来的工程结构防连续倒塌研究中，依然有许多亟待解决的问题，包括但不限于:1)新材料、新结构的连续倒塌破坏机理及设计方法;2)考虑多种灾害作用的结构防连续倒塌设计方法与实践;3)整体结构连续倒塌风险量化及性能评估方法;4)高效、高精度的结构连续倒塌数值模型研发与应用;5)实际工程结构防连续倒塌系统设计流程研究等多个方面。相信在国内外科研工作者的共同努力下，我国的结构防连续倒塌设计将逐渐形成成熟完善的体系，工程结构综合防灾性能也将进一步提升。

最后需要说明的是，国内很多学者在连续倒塌领域做了很多出色的工作，由于本文准备时间比较仓促，很多优秀的工作未能在本文中涉及，恳请批评海涵。

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注：1月11日下午3时46分许，韩国光州一幢39层公寓发生连续倒塌事故。共有3人获救，6人失联，附近100余名居民全部疏散，房屋连续性倒塌问题一直是工程界研究的热门话题，本文转载自-建筑结构-《我国工程结构防连续倒塌研究:回顾与展望》陆新征课题组，仅仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！