第Ⅰ篇 设计

1 绪论

1.1 高层钢结构房屋冗余度研究委员会

1.2 世贸中心

1.2.1 工程概况

1.2.2 “911”事件

1.2.3 世贸中心倒塌原因

1.2.4 美国调查报告的结论

1.2.5 纽约建筑署提出的对策

1.3 冗余度

1.4 结构承载能力和塑性变形能力的关系

1.5 建筑结构的极限强度

1.6 高冗余度钢结构倒塌控制设计指南

1.6.1 概述

1.6.2 指南信息的全球共享

1.6.3 本《指南》的特点及其组成

2 一般规定

2.1 总体设计思想

2.2 结构倒塌控制设计指南：术语

3 结构倒塌控制设计指南（推荐版）

3.1 设计方案

3.1.1 建筑和结构设计方案

3.1.2 抗火设计方案

3.1.3 抗火方案：设备和灭火系统

3.2 评估方法

3.2.1 目标设定

3.2.2 评估流程

3.2.3 冗余度评估

4 防止竖向荷载作用下结构连续性倒塌的对策

4.1 高层钢结构柱失效后的性态分析

4.1.1 结构冗余度作用的研究

4.1.2 偶然荷载作用下构件失效后的高层钢结构的性态分析

4.1.3 大跨度梁的极限承载力试分析

4.1.4 钢结构的冗余度和特征

4.2 框架结构体系和火灾区域对冗余度的影响

4.2.1 热变形分析

4.2.2 火灾区域的影响

4.2.3 框架结构体系的影响

4.3 构件截面尺寸和钢材种类对冗余度的影响

4.3.1 目标

4.3.2 受荷构件的抗火试验概述

4.3.3 受荷构件的抗火试验：A组试件

4.3.4 受荷构件的抗火试验：B组试件

4.3.5 提高结构冗余度的措施

5 大型空间结构冗余度的基本概念

5.1 采用敏感性分析评估和确保空问结构冗余度的方法

5.2 创建具有高冗余度的空间结构形式

5.3 确保空间结构冗余度的若干措施总结

6 提高结构冗余度的有效材料和方法

6.1 用于新建建筑的材料和方法

6.1.1 高性能钢材

6.1.2 CFT结构

6.1.3 防火保护措施

6.2 已有建筑的材料和方法

第Ⅱ篇 研究

7 敏感性分析和结构冗余系数

7.1 竖向承载性能的敏感性分析

7.1.1 冗余度和关键构件

7.1.2 敏感性分析

7.1.3 平面框架结构的敏感性分析

7.1.4 空间框架结构的敏感性分析

7.1.5 结论

7.2 大型空间结构冗余度的基础研究

7.2.1 引言

7.2.2 Pandey的敏感性分析方法

7.2.3敏感性分析方法

7.2.4数值分析示例

7.2.5结论

8 钢框架结构在构件失效情况下的性能分析

8.1 Bazant和Zhou倒塌机制的简单分析法

8.2 竖向承载能力的冗余度及其防止连续性倒塌的可能性

8.2.1 坠落构件的冲击导致单一楼层倒塌的条件

……

9 火灾下钢框架性能的研究

附录

参考文献

研究结构倒塌的直接起因固然非常重要，结构防倒塌设计的重心应该置于更一般的倒塌原因的分析和对策上。然而，结构倒塌过程的机理是什么？如何进行结构的倒塌分析？什么样的结构可以有效防止或阻断倒塌破坏由局部扩大到整体？人们对这些问题还缺乏系统的认识。另一方面，现行设计规范以概率论理论为基础的极限状态设计方法，还难以应用于防止结构连续性破坏这一设计任务。结构工程的研究者和设计者迫切需要在这一课题上取得进展。

在这样一种背景下，《高冗余度钢结构倒塌控制设计指南》一书及时为我们提供了许多重要的资料。本书由“设计”和“研究”两部分组成，在英文版和日文版中是分为两册印刷的，中文版则将其集为一册。整本书涉及对高层建筑钢结构和大跨度建筑钢结构两种体系的分析，但主要篇幅都在对高层建筑钢结构的研究。“设计”部分对结构防止倒塌的设计提出了具体建议，“研究，部分则对倒塌机理、分析方法进行了详细阐述。本书对冗余度在结构防倒塌设计中的重要性、连续性倒塌发生与否的关键在于局部破坏之后内力重分布能否有效实现、连续性倒塌分析的力学模型和计算方法、火灾高温下钢框架结构的稳定性分析以及结构抗震设计和防止倒塌设计的关联性等，都有非常精到的论述。笔者以为，本书所介绍的理论和方法，不仅有助于钢结构设计，对其他结构体系的研究、分析和设计也具有参考价值。顺便一提的是，本书的日文版获得了日本钢结构协会2006年度的特别研究奖。

9.11事件的发生使结构抗连续倒塌研究成为了各国专家学者的一个研究热点和难点。与发达国家相比，我国在该方面的研究比较匮乏，相关规范中也缺少此类的可操作性规定。为了避免结构在局部失效的情况下发生连续性倒塌，为结构荷载的传递提供多条传力路径（即使结构具有高冗余度）显然是比较有效的方法。此外，结构的安全性与经济性又是互为矛盾的，如何在提高结构冗余度的同时又把结构总造价控制在一个可以接受的合理范围内是目前推广应用结构体系抗连续倒塌设计技术和制定相应规范的一个最主要障碍。.本课题将以高层建筑中常用的钢框架体系为研究对象，在我国现行结构设计规范的前提下，探讨钢框架体系的高冗余度对结构抗连续倒塌能力的影响；并在此基础上引入优化思想，探讨高冗余度钢框架体系的优化设计。本课题的研究不但有助于制定适合我国国情的钢框架体系抗连续倒塌设计方法和规范，而且对其他结构体系在该方面的研究也将具有极大的参考价值。 2100433B

本项目通过对高层钢结构在三维地震下的非线性动力灾变全过程进行数值模拟，研究高层钢结构在强震下的损伤演化规律和破坏全过程，揭示高层钢结构的地震失效模式和倒塌机制，建立高层钢结构整体倒塌极限状态的地震失效准则。其次，提出跟踪失效模式及其路径、优化加强失效构件，从而消除前若干最弱失效模式或强化失效模式路径等多种高层钢结构的整体倒塌模式控制的方法。第三，通过结构整体倒塌模式控制方法，研究新的设计理念，优化结构参数和改善结构失效模式，提出高层钢结构的整体抗震能力设计方法。最后，通过高层钢结构倒塌模式分析、控制、设计及其模型试验，验证研究提出的方法和分析结果。本项目研究，可为我国高层钢结构的抗震安全建设和防震减灾提供科学依据，具有重要的理论和工程实际意义。

本项目主要研究了高层钢结构的地震倒塌失效模式控制和整体抗震能力提升方法。失效模式控制的目的是，消除结构的薄弱层，优化结构的倒塌失效模式，提升结构的整体抗震能力，通过合理设计，在不显著增加造价的情况下，提高结构的安全储备。本项目以纯钢框架为例，研究了如何通过合理设计框架柱和梁的截面，对高层钢结构进行倒塌失效模式控制，提出了高层钢结构的“等损伤”的抗震设计方法。“等损伤”的抗震设计方法的核心内容是基于“同时破坏”的原则对框架柱进行设计，以柱的截面塑性模量为设计指标，给出各楼层柱在强地震动作用下同时发生破坏所需的截面塑性模量变化比率；另外，还给出了梁的设计方法；并探讨了柱截面的变化位置。本设计方法可以消除高层钢结构的薄弱层，使所设计的结构在强地震动作用下发生均匀破坏，各楼层的损伤程度相等，不但可以控制结构的最弱失效模式，还可以最大程度地提升结构的整体抗震能力。算例证明，该“等损伤”的抗震设计方法可行有效，且设计方便。该“等损伤”的抗震设计方法可以为高层钢框架结构的抗震设计提供参考，优化结构的倒塌失效模式，提升结构的整体抗震能力，使结构具有较大的安全储备。