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第Ⅰ篇 设计 1

1 绪论 3

1.1 高层钢结构房屋冗余度研究委员会 3

1.2　世贸中心 3

1.2.1 工程概况 3

1.2.2　“911”事件 3

1.2.3　世贸中心倒塌原因 4

1.2.4　美国调查报告的结论 4

1.2.5　纽约建筑署提出的对策 5

1.3　冗余度 5

1.4　结构承载能力和塑性变形能力的关系 6

1.5　建筑结构的极限强度 7

1.6 高冗余度钢结构倒塌控制设计指南 8

1.6.1 概述 8

1.6.2　指南信息的全球共享 8

1.6.3　本《指南》的特点及其组成 8

2　一般规定 10

2.1　总体设计思想 10

2.2　结构倒塌控制设计指南：术语 10

3　结构倒塌控制设计指南（推荐版） 14

3.1　设计方案 14

3.1.1　建筑和结构设计方案 14

3.1.2　抗火设计方案 20

3.1.3　抗火方案：设备和灭火系统 25

3.2　评估方法 30

3.2.1 目标设定 30

3.2.2　评估流程 30

3.2.3　冗余度评估 34

4 防止竖向荷载作用下结构连续性倒塌的对策 39

4.1 高层钢结构柱失效后的性态分析 39

4.1.1　结构冗余度作用的研究 39

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 39

4.1.3　大跨度梁的极限承载力试分析 47

4.1.4　钢结构的冗余度和特征 50

4.2　框架结构体系和火灾区域对冗余度的影响 50

4.2.1　热变形分析 50

4.2.2　火灾区域的影响 50

4.2.3　框架结构体系的影响 53

4.3　构件截面尺寸和钢材种类对冗余度的影响 56

4.3.1 目标 56

4.3.2　受荷构件的抗火试验概述 56

4.3.3　受荷构件的抗火试验：A组试件 57

4.3.4　受荷构件的抗火试验：B组试件 58

4.3.5　提高结构冗余度的措施 59

5　大型空间结构冗余度的基本概念 61

5.1 采用敏感性分析评估和确保空间结构冗余度的方法 61

5.2　创建具有高冗余度的空间结构形式 62

5.3　确保空间结构冗余度的若干措施总结 62

6　提高结构冗余度的有效材料和方法 63

6.1 用于新建建筑的材料和方法 63

6.1.1　高性能钢材 63

6.1.2 CFT结构 69

6.1.3　防火保护措施 71

6.2 已有建筑的材料和方法 73

第Ⅱ篇 研究 75

7　敏感性分析和结构冗余系数 77

7.1　竖向承载性能的敏感性分析 77

7.1.1　冗余度和关键构件 77

7.1.2　敏感性分析 77

7.1.3　平面框架结构的敏感性分析 79

7.1.4　空间框架结构的敏感性分析 83

7.1.5　结论 85

7.2 大型空间结构冗余度的基础研究 87

7.2.1 引言 87

7.2.2　Pandey的敏感性分析方法 87

7.2.3　敏感性分析方法 88

7.2.4　数值分析示例 89

7.2.5　结论 90

8　钢框架结构在构件失效情况下的性能分析 91

8.1 Bazant和Zhou倒塌机制的简单分析法 91

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 91

8.2.1 坠落构件的冲击导致单一楼层倒塌的条件 91

8.2.2 AIJ规定的柱子容许抗压承载力计算公式和屈曲后稳定承载力计算公式 91

8.2.3　屈曲大变形后构件稳定承载力的试验研究 95

8.2.4 防止结构出现连续性倒塌的可能性 98

8.3　高层结构局部倒塌后的承载能力计算 99

8.3.1 目标 99

8.3.2 日本高层钢结构的特点 99

8.3.3　常规设计的高层结构遭受局部破坏时的计算概况 101

8.3.4　试分析1：模型A在柱失效情况下的试分析 101

8.3.5 试分析2：模型B在柱失效情况下的试分析 115

8.3.6　试分析3：大跨度主梁的极限承载力 134

8.4　高层结构柱失效状态下的性能分析及简单倒塌判别法 140

8.4.1　研究示例1：基准模型分析 140

8.4.2　研究示例2：顶部加强桁架的作用 146

8.4.3 研究示例3：NIKKEN SEKKEI模型 151

9　火灾下钢框架性能的研究 153

9.1　火灾下钢框架的稳定性 153

9.1.1 引言 153

9.1.2　框架柱的屈曲温度 153

9.1.3　柱子高温屈曲后的框架反应 155

9.1.4　包括失稳过程的框架温度变形分析 158

9.1.5　高温下钢框架结构稳定性的概要 159

9.1.6　结论 163

9.2　火灾下高层结构反应分析与倒塌评估简易方法 163

9.2.1　第一阶段研究：基本分析 163

9.2.2　第二阶段研究：帽型结构对荷载重分布的作用 184

9.2.3　第三阶段研究：防火分隔的作用 201

9.2.4　评估框架倒塌的简易方法 205

9.3 大截面与耐火钢材对提高火灾下高层钢结构建筑冗余度的作用 207

9.3.1 引言 207

9.3.2 系列A试验 208

9.3.3 系列B试验 213

9.4　钢框架的抗火能力 217

9.4.1 前言 217

9.4.2 火灾升温 217

9.4.3　防火层和钢框架温度 218

9.4.4　钢框架的抗火承载力 220

9.4.5　结论与建议 224

附录 225

附录A　钢材的应力-应变关系 225

附录B 自由曲面的弹塑性屈曲特征 226

B.1　构件的总长度基本相同的情况，其中弦杆的整体稳定计算长度是均匀的 226

B.2　初始屈曲时的内力状况 230

附录C　典型框架的失稳运动 232

参考文献 233