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[摘 要]本文介绍了美国国防部在2009年出版的用于结构抗连续倒塌的设计准则UFC2009。与以前的版本相比，UFC2009作了较大的修订，主要体现在以下几个方面：判定结构抗连续倒塌要求的方法、拉结力法、备用荷载路径法、改进的局部抗力法，分析方法。本文有助于理解UFC2009设计准则，并期望为相关的科研选题提供参考。
[关键词]连续倒塌拉结力法备用荷载路径法
中图分类号：TU311 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）47-0076-01
建筑物的连续倒塌是指结构发生的局部构件破坏扩展至其它构件，并最终导致结构发生了整体倒塌或大范围的倒塌[1]。发生在1968年的英国RonanPoint公寓楼破坏就是典型的连续倒塌破坏，从此各国对这种破坏形式展开了研究，并陆续在规范中加入了关于抗连续倒塌的条文（如BSI1997，ASCE2006，NBC1995）。此外，部分国家推出了专用于结构抗连续倒塌的设计准则（如GSA2003，UFC2005等）[2-6]。随着各国对结构连续倒塌研究的深入，美国国防部出版了修订的结构抗连续倒塌设计准则-UFC2010。较2005年版中含义模糊、难于应用的条文相比，UFC2009内的条文更加清晰和详细，为工程人员实际应用提供了便利。
1 抗连续倒塌设计方法
1.1 拉结力法
拉结力法是使构件及其连接满足一定的设计要求，确保结构在局部构件破坏后可以达到新的平衡状态，从而避免发生连续倒塌。拉结力法旨在提高结构的整体性、延性和转变传力途径的能力，拉结力可分为内部拉结力（纵向拉结力和横向拉结力）、周边拉结力、竖向拉结力，此三种拉结力在框架结构体系中的分布。其中，水平拉接力（内部拉结力和周边拉结力）由梁和楼板承担，竖向拉接力由柱和墙承担；此外，结构体系中的拉结力必须连续且沿直线作用。
使用拉结力法对结构进行连续倒塌设计时，构件的拉结力应符合下列要求：
式中：φRn为构件的拉结承载力设计值；φ为折减系数；Rn为名义拉结承载力；γiQi为拉结力设计值；γi为荷载分项系数；Qi为荷载效应。
内部拉结力设计值使用下列公式计算：
式中：Fi为内部拉结力设计值（kN/m）；wF为楼面荷载设计值，DL为楼面恒荷载（kN/m2），LL为楼面活荷载（kN/m2）；L1为柱（或墙）间距的最大值（m），当计算横向内部拉结力时，L1取横向柱（或墙）间距的最大值LT，当计算纵向内部拉结力时，L1取纵向柱（或墙）间距的最大值LL（LT为横向柱距或墙距的最大值，LL为纵向柱距或墙距的最大值）。
楼板的周边拉结力设计值使用下列公式计算：：
当结构周边作用有线荷载（如外墙荷载）时，需将线荷载换算为0.91m宽度的均布荷载后加到式（3）的恒载中。
当梁的变形能力达不到0.20弧度（11.3°）变形要求时，水平拉结力只能由楼板承担
柱子和墙承担竖向拉结力，其竖向拉结力承载力须大于竖向拉结力设计值，竖向拉结力设计值由柱子（或墙）的附属面积和wF计算。
1.2 备用荷载路径法
备用荷载路径法是“去除”结构的某一构件（柱或墙），分析结构在原有荷载组合作用下是否能形成新的荷载路径而避免发生倒塌破壞。对于“去除”构件的位置，UFC2010设计准则做出了规定：一般需要“去除”角部、周边和内部柱和墙；而对平面较不规则的结构，还需要去除平面显著发生变化处的柱和墙。此外，UFC设计准则还对“去除”构件的楼层位置做出了规定，对于同一平面位置，至少需要分别“去除”底层、中间层、顶层的柱或墙。
采用备用荷载路径法对结构进行抗连续倒塌设计时，设计人员可以对“去除”构件的结构进行静力线性分析、静力非线性分析和动力非线性分析，这三种方法在荷载组合、分析过程等方面有所不同。
静力线性分析易于操作，其只需将结构模型中删除需要“去除”的构件，在式（6）和（7）所示的荷载作用下对结构进行线性静力分析。但静力线性分析有适用范围：对于规则结构，可进行静力线性分析；对于不规则结构，当其构件满足一定的性能要求时方可进行静力线性分析，构件的性能要求是以DCR来衡量的（DCR定义如下），不规则结构进行静力线性分析的前提是所有构件的DCR不大于2.0。
式中，QUDLim为作用在构件的荷载效应（如弯矩、轴力等），QCE为构件的极限承载力。
动力非线性分析中的关键是模拟“去除”构件的突然失效，UFC2010推荐的方法如下，这种方法由以下3个步骤组成：
（1）对完整结构进行静力线性分析，按式（7）所示的荷载组合对结构施加荷载，确定作用于“去除”构件上端的内力：M，N，V；
（2）从完整结构中删除“去除”构件，将原由“去除”构件承担的内力反作用于其顶部节点处，即施加-M、-N和-V模拟“去除”构件的支承作用，同时将式（7）所示的荷载施加于结构，此步骤仍为静力分析；
（3）在第（2）步的分析结果上，通过在很短时间内使施加于“去除”构件顶部节点的-M，-N，-V减小至0来模拟“去除”构件的突然失效，并进行动力分析。
1.3 局部抗力法
在前一版本中，局部抗力法是对结构的关键构件进行加强设计，旨在防止发生初始局部破坏。但其在应用过程中显现出诸多缺点，如对已建建筑而言，使用这种方法采取加强措施造价较高；指定的偶然荷载会被恐怖分子利用。鉴于以上情况，UFC2010设计准则对局部抗力法进行了一定的修正：新版本中的局部抗力法增強了易受到偶然荷载（爆炸冲击力、汽车撞击等）作用的构件（即结构周边的竖向构件）的抗弯、抗剪承载力，使此类构件在偶然荷载作用下能够避免发生脆性破坏。
2 结构的抗连续倒塌要求
根据建筑物的重要性，UFC2010设计准则将其划分为四给级别，并针对不同级别的建筑物规定了相应的抗连续倒塌设计要求（详表1），针对不同级别的建筑物，UFC2010准则采用了不同的方法进行抗连续倒塌设计，UFC2010准则所采用的方法分别为拉结力法、备用荷载路径法和改进的局部抗力法。
设计级别为II级的建筑物有两种选择来进行抗连续倒塌设计，这是考虑到拉结力法用于待建结构时非常容易的，但将其用于已建结构则有一定的难度，而备用荷载路径法既适用于待建和已建结构。此外，使用局部抗力法对结构进行设计则是防止水平拉结力的侧向支承发生破坏。
3.结论
针对以前版本中部分条文含义模糊、难于应用的情况，美国国防部对由其出版的抗连续倒塌设计准则进行了较大的修订。通过对新版的UFC2010设计准则中有关结构抗连续倒塌要求、拉结力法、备用荷载路径法和改进的局部抗力法条文的介绍，得出以下结论：
（1）对结构抗连续倒塌设计而言，拉结力法和备用荷载路径法是实用而有效的方法，可以根据建筑的居住类型使用不同的方法对其进行设计，从而提高结构的冗余度和防止结构发生由局部破坏导致的连续倒塌。
（2）局部抗力法可以提高结构周边构件的抗弯、抗剪承载力，避免构件在偶然荷载作用下发生脆性破坏，从而提高结构的安全储备，改善结构的抗连续倒塌能力。
（3）按照防止结构连续倒塌规范条文设计的实际工程在抵抗连续倒塌方面已体现出有效性[6]，国外规范对我国制订规范条文提供了理论基础，我国应在参考国外研究在基础上增加具体方法对结构进行连续倒塌评估和设计，提高结构的抗连续倒塌能力。
[关键词]连续倒塌拉结力法备用荷载路径法
中图分类号：TU311 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）47-0076-01
建筑物的连续倒塌是指结构发生的局部构件破坏扩展至其它构件，并最终导致结构发生了整体倒塌或大范围的倒塌[1]。发生在1968年的英国RonanPoint公寓楼破坏就是典型的连续倒塌破坏，从此各国对这种破坏形式展开了研究，并陆续在规范中加入了关于抗连续倒塌的条文（如BSI1997，ASCE2006，NBC1995）。此外，部分国家推出了专用于结构抗连续倒塌的设计准则（如GSA2003，UFC2005等）[2-6]。随着各国对结构连续倒塌研究的深入，美国国防部出版了修订的结构抗连续倒塌设计准则-UFC2010。较2005年版中含义模糊、难于应用的条文相比，UFC2009内的条文更加清晰和详细，为工程人员实际应用提供了便利。
1 抗连续倒塌设计方法
1.1 拉结力法
拉结力法是使构件及其连接满足一定的设计要求，确保结构在局部构件破坏后可以达到新的平衡状态，从而避免发生连续倒塌。拉结力法旨在提高结构的整体性、延性和转变传力途径的能力，拉结力可分为内部拉结力（纵向拉结力和横向拉结力）、周边拉结力、竖向拉结力，此三种拉结力在框架结构体系中的分布。其中，水平拉接力（内部拉结力和周边拉结力）由梁和楼板承担，竖向拉接力由柱和墙承担；此外，结构体系中的拉结力必须连续且沿直线作用。
使用拉结力法对结构进行连续倒塌设计时，构件的拉结力应符合下列要求：
式中：φRn为构件的拉结承载力设计值；φ为折减系数；Rn为名义拉结承载力；γiQi为拉结力设计值；γi为荷载分项系数；Qi为荷载效应。
内部拉结力设计值使用下列公式计算：
式中：Fi为内部拉结力设计值（kN/m）；wF为楼面荷载设计值，DL为楼面恒荷载（kN/m2），LL为楼面活荷载（kN/m2）；L1为柱（或墙）间距的最大值（m），当计算横向内部拉结力时，L1取横向柱（或墙）间距的最大值LT，当计算纵向内部拉结力时，L1取纵向柱（或墙）间距的最大值LL（LT为横向柱距或墙距的最大值，LL为纵向柱距或墙距的最大值）。
楼板的周边拉结力设计值使用下列公式计算：：
当结构周边作用有线荷载（如外墙荷载）时，需将线荷载换算为0.91m宽度的均布荷载后加到式（3）的恒载中。
当梁的变形能力达不到0.20弧度（11.3°）变形要求时，水平拉结力只能由楼板承担
柱子和墙承担竖向拉结力，其竖向拉结力承载力须大于竖向拉结力设计值，竖向拉结力设计值由柱子（或墙）的附属面积和wF计算。
1.2 备用荷载路径法
备用荷载路径法是“去除”结构的某一构件（柱或墙），分析结构在原有荷载组合作用下是否能形成新的荷载路径而避免发生倒塌破壞。对于“去除”构件的位置，UFC2010设计准则做出了规定：一般需要“去除”角部、周边和内部柱和墙；而对平面较不规则的结构，还需要去除平面显著发生变化处的柱和墙。此外，UFC设计准则还对“去除”构件的楼层位置做出了规定，对于同一平面位置，至少需要分别“去除”底层、中间层、顶层的柱或墙。
采用备用荷载路径法对结构进行抗连续倒塌设计时，设计人员可以对“去除”构件的结构进行静力线性分析、静力非线性分析和动力非线性分析，这三种方法在荷载组合、分析过程等方面有所不同。
静力线性分析易于操作，其只需将结构模型中删除需要“去除”的构件，在式（6）和（7）所示的荷载作用下对结构进行线性静力分析。但静力线性分析有适用范围：对于规则结构，可进行静力线性分析；对于不规则结构，当其构件满足一定的性能要求时方可进行静力线性分析，构件的性能要求是以DCR来衡量的（DCR定义如下），不规则结构进行静力线性分析的前提是所有构件的DCR不大于2.0。
式中，QUDLim为作用在构件的荷载效应（如弯矩、轴力等），QCE为构件的极限承载力。
动力非线性分析中的关键是模拟“去除”构件的突然失效，UFC2010推荐的方法如下，这种方法由以下3个步骤组成：
（1）对完整结构进行静力线性分析，按式（7）所示的荷载组合对结构施加荷载，确定作用于“去除”构件上端的内力：M，N，V；
（2）从完整结构中删除“去除”构件，将原由“去除”构件承担的内力反作用于其顶部节点处，即施加-M、-N和-V模拟“去除”构件的支承作用，同时将式（7）所示的荷载施加于结构，此步骤仍为静力分析；
（3）在第（2）步的分析结果上，通过在很短时间内使施加于“去除”构件顶部节点的-M，-N，-V减小至0来模拟“去除”构件的突然失效，并进行动力分析。
1.3 局部抗力法
在前一版本中，局部抗力法是对结构的关键构件进行加强设计，旨在防止发生初始局部破坏。但其在应用过程中显现出诸多缺点，如对已建建筑而言，使用这种方法采取加强措施造价较高；指定的偶然荷载会被恐怖分子利用。鉴于以上情况，UFC2010设计准则对局部抗力法进行了一定的修正：新版本中的局部抗力法增強了易受到偶然荷载（爆炸冲击力、汽车撞击等）作用的构件（即结构周边的竖向构件）的抗弯、抗剪承载力，使此类构件在偶然荷载作用下能够避免发生脆性破坏。
2 结构的抗连续倒塌要求
根据建筑物的重要性，UFC2010设计准则将其划分为四给级别，并针对不同级别的建筑物规定了相应的抗连续倒塌设计要求（详表1），针对不同级别的建筑物，UFC2010准则采用了不同的方法进行抗连续倒塌设计，UFC2010准则所采用的方法分别为拉结力法、备用荷载路径法和改进的局部抗力法。
设计级别为II级的建筑物有两种选择来进行抗连续倒塌设计，这是考虑到拉结力法用于待建结构时非常容易的，但将其用于已建结构则有一定的难度，而备用荷载路径法既适用于待建和已建结构。此外，使用局部抗力法对结构进行设计则是防止水平拉结力的侧向支承发生破坏。
3.结论
针对以前版本中部分条文含义模糊、难于应用的情况，美国国防部对由其出版的抗连续倒塌设计准则进行了较大的修订。通过对新版的UFC2010设计准则中有关结构抗连续倒塌要求、拉结力法、备用荷载路径法和改进的局部抗力法条文的介绍，得出以下结论：
（1）对结构抗连续倒塌设计而言，拉结力法和备用荷载路径法是实用而有效的方法，可以根据建筑的居住类型使用不同的方法对其进行设计，从而提高结构的冗余度和防止结构发生由局部破坏导致的连续倒塌。
（2）局部抗力法可以提高结构周边构件的抗弯、抗剪承载力，避免构件在偶然荷载作用下发生脆性破坏，从而提高结构的安全储备，改善结构的抗连续倒塌能力。
（3）按照防止结构连续倒塌规范条文设计的实际工程在抵抗连续倒塌方面已体现出有效性[6]，国外规范对我国制订规范条文提供了理论基础，我国应在参考国外研究在基础上增加具体方法对结构进行连续倒塌评估和设计，提高结构的抗连续倒塌能力。