1 绪论
1.1 选题背景及意义
预制混凝土技术来源于西欧，在欧美等发达国家迅速发展。其施工方面表现出一些优于现浇混凝土结构的特点：如高机械化水平提升了劳动生产率，使劳动者的工作强度降低，工程项目施工进度快。和现浇结构施工现场相比湿作业更少，减少了建筑垃圾的产生，降低了施工噪音的不良影响，既节约资源又保护环境。尽管预制混凝土结构具有上述的优点，但在唐山大地震震害调查结果中反映出预制结构在循环荷载作用下节点处易损坏，抗震性能不理想的现象，致使目前我国对预制结构的应用普及率远低于发达国家。
而之后出现的预压装配式预应力混凝土框架结构，又称预压装配式结构，通过将后张预应力筋穿过梁、柱预留孔洞，然后施加预应力张拉，使结构节点强度有大幅度提高。我国多个学者的研究和设计结果表明：高强度预应力钢筋的回弹使结构节点具有良好的自恢复能力，残余变形很小，其在抗震领域有良好的表现[1]。现阶段国内结构设计方法是对结构进行受力分析后得到其内力，然后再对构件单独设计，是以保证单个不发生失效为目标进行设计。但结构受力不仅仅只承受设计时的确定性荷载，结构遭遇意外事件发生连续倒塌也不应忽视。
国内外意外事件引起的连续性倒塌事故频发，造成人员伤亡，社会财产的巨大损失。1968 年英国罗南角公寓由于上层住户的煤气意外发生爆炸使结构承载墙失效，从而引起的房屋连续倒塌，造成 17 人受伤 4 人死亡[2]（图 1.1a）。2001 年美国世贸大厦因撞击发生连续性倒塌，造成了近 3000 人丧生[3]。1995 年韩国首尔三丰百货大楼因违规增加远超原设计荷载重达 15 吨的空调机，从而引起结构的倒塌造成 500 余人死亡，近千人受伤（图 1.1b）。2013 年孟加拉国达卡市大楼加盖四层引起连续性倒塌造成近 1130 人死亡 2500 余人受伤（图 1.1c）。以及 2020 年福建泉州一处隔离新冠肺炎密切接触者的酒店发生整体倒塌造成 29 人死亡 71 人受伤图（1.1d）。这些事件的发生都反映出建筑物在意外荷载下的脆弱性，这些可能会威胁到建筑结构正常使用的因素是有必要在设计之初考虑。连续性倒塌就是其中重要的一个考虑要点。目前结构倒塌研究中主要包含两个内容：一是研究建筑结构抵抗连续性倒塌抗力来源，二是如何定量地评价此种能力即结构的鲁棒性。结构的鲁棒性“Robustness”在我国译为整体稳固性。我国《建筑结构可靠性统一标准》[4]中提出了对结构整体稳固性的要求，但并未给出明确的量化方法和设计条文。
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1.2 本课题研究领域国内外的研究现状
预应力技术于 1866 年由美国工程师 Jackson（P.H. Jackson）首次引入混凝土结构。第二次世界大战后因生产力不足，难以满足战后重建对钢材的庞大需求，预应力混凝土结构得以代替钢结构开始了迅速发展[5]。1956 年 IMS 体系最早在前南斯拉夫兴起，主要用于重建新贝尔格莱德。IMS 体系即预制整体预应力装配式板柱体系。1982 年时该结构体系已占前南斯拉夫全国新建造住宅结构体系的 44%。20 世纪 90 年代，法国 PPB 公司研究人员提出的世构(SCOPE)体系(图 1.3)[7]，如今包括中国在内 30 多个国家引进了该体系。20 世纪 90 年代初，为改善预制结构抗震性能日本研发了“压着工法”并建造了大批民用建筑和工业建筑。即通过在节点处穿过预应力筋，改善了预制装配式结构在节点的受力性能，又解决了装配式结构整体性能差的缺陷，形成了预压装配式框架结构 (图 1.4)[8]。预应力装配式结构的研究我国则起步较晚：在上世纪 70 年代开发了预应力混凝土 V 形折板、马鞍形板、T 型板等[9]。1978 年机械工业部为促进装配式建筑的发展制订了《多层框架厂房设计意见》[10]。在 1976 年唐山大地震后，我国决定引进南斯拉夫 IMS 体系，但板柱体系易发生板柱冲切破坏，且空间布置收到小柱网约束，普及率较低[11]。至到 2000 年时世构体系被我国从法国引进[12]，预制结构才再次在我国大规模应用，到 2010 年南京采用该体系落地建设建筑面积已达到 100 万 m2，并且通过组织相关单位制订了《预制预应力混凝土装配整体式框架技术规程》[13]
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2 结构鲁棒性研究相关理论
2.1 国内外结构抗连续倒塌的相关规范及设计方法
本文对于结构连续倒塌的定义为：不可控的意外事件（如煤气爆炸、爆炸袭击、车辆撞击、火灾等）的发生导致局部破坏或部分子结构损伤，造成最终破坏形态与初始破坏形态不成比例，称之为连续倒塌。如 ASCE-10[53]、《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50068-2018）[4]等文献定义均相近，故在此不再赘述。
2.1.1 国外抗连续倒塌相关规范总结
国外对于连续性倒塌相关研究最早开始于 1968 年罗南公寓事件，兴起于 2001 年 911事件中美国世贸大楼倒塌。各国先后出台相应的标准和规范。这些规范的出台标志着结构连续倒塌问题理论研究已有雏形。而各国规范对于该热点问题的研究方法要求也各不相同。如表 2-1。
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2.2 结构鲁棒性量化体系
鲁棒性引自系统控制理论的概念。指系统抵抗外部环境干扰和内部不确定性因素影响而能保持稳定工作的能力。不同的系统目标特征也不同，继而鲁棒性反映的概念也不同。如表 2-4。
吕大刚将结构的鲁棒性定义为：意外事件发生对结构造成局部损伤的条件下，结构体系具有不发生整体失效后果与局部损伤不成比例的一种能力。这与 2.1.1 节中结构连续倒塌的定义类似，但区别在于结构连续倒塌实际上属于结构鲁棒性一部分，结构发生连续倒塌结构到达鲁棒性极限点后的一个动态过程，两者是一个点跟一个域的关系。结构的鲁棒性弱，结构在构件意外失效后就有很高的可能性发生连续性倒塌。常见抗连续倒塌分析往往某个构件失效后是否会发生连续倒塌的定性结果，这也是进行了一部分的鲁棒性分析。而完整的结构鲁棒性分析，不仅是研究构件失效后的响应，而是把将结构的极限状态量化，即给出结构在某些构件失效后，还有多大的承载力储备空间可进行比较的指标，这就是一个量化的分析过程。
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3.1 参考试验简介............................................ 16
3.1.1SAP2000 软件简介.................................17
3.2.2Pushover 分析的步骤................................. 17
4 预压装配式框架结构鲁棒性分析.............................25
4.1 模型简介..................................... 25
4.2 结构拆除工况设置............................ 27
5 影响预压装配式结构鲁棒性因素研究........................42
5.1 荷载参数对鲁棒性影响分析................................ 42
5.2 预应力钢筋配筋面积对鲁棒性影响分析.......................... 44
5 影响预压装配式结构鲁棒性因素研究
5.1 荷载参数对鲁棒性影响分析
本文荷载参数（Load）为结构设计时根据建筑使用要求而选取的设计参数，可分为永久荷载（恒载）、可变荷载（活荷载）、偶然荷载（依据规范特定情况下考虑）三类。本节使用不同的的恒载、活载值作为变化量，研究不同荷载作用下结构鲁棒性变化规律。依照前文第四章所建立的预压装配式框架结构模型。分别改变作用在结构的荷载参数大小建立以下四种工况详见表 5-1。分析模型及分析过程同第四章：根据分析结果按照式2.1 确定各个模型的构件易损性系数，根据式 2.2 确定结构构件重要性系数，按照式 2.3计算结构鲁棒性系数结果如图 5.1,图中鲁棒性参数相关计算结果详见附录。
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6 结论与展望
6.1 结论
本文主要围绕预压装配式框架结构抗竖向连续倒塌鲁棒性展开论述。第一章简介了该课题研究背景及当前研究现状和本文研究的目的，第二章详尽介绍了目前关于涉及的连续性倒塌的规范内容和鲁棒性研究方法，第三章在 SAP2000 中对前人试验设计的一榀三层平面预压装配式框架结构进行建模，并通过对比试验结果验证建模方法的可行性，、第四章分析了五层五跨预压装配式框架和现浇框架结构拆柱后结构出铰发展情况，并计算了两者的鲁棒性大小，第五章主要是研究预压装配式框架结构设计中各项不确定参数对鲁棒性的影响。
（1）预压装配式框架结构连接节点具有趋于刚接和铰接之间的半刚性节点特性。考虑梁柱节点半刚性的建模方法进行 Pushover 分析结果在荷载和顶点位移误差不超过10%，计算值和试验值较好吻合，塑性铰发展规律与原试验结果基本一致，本文所采用建模方法能有效模拟预压装配式框架结构。
（2）在拆除构件发生倒塌时，预压装配式结构各节点竖向位移均高于现浇结构。其中角柱提高了 9.8%，长边中柱竖向位移提高了 9.51%，短边中柱提高了 6.96%，中柱提高了 6.99%，预压装配式结构相对于现浇结构具有更好的延性。梁截面中预应力钢筋在构件破坏后向梁提供拉结力，对存在悬链线阶段短边中柱和中柱的抗力提升较为明显。预压装配式框架结构最大承载力相较于现浇结构降低了约 13.8%,拆除角柱、长边中柱、短边中柱、中柱后剩余结构极限承载力依次降低了 9.7%、15.3%、7.3%、29.1%。经计算预压装配式框架结构的鲁棒性系数略低于现浇结构，使用预应力钢筋连接的预制框架结构，抗竖向连续倒塌的鲁棒性受节点连接刚度的影响而降低。因此提高预压装配式结构节点连接的刚度，才能有效提高抗竖向连续倒塌的鲁棒性，有利于抗竖向倒塌鲁棒性设计目标的实现。
（3）7 个不确定参数对结构鲁棒性影响分析结果表明：预应力钢筋配筋面积、纵筋强度等级、梁柱混凝土等级、拆柱所在楼层数均与鲁棒性系数呈正相关关系，荷载参数、预应力钢筋强度与鲁棒性系数呈反相关关系。在本文研究的各个不确定参数灵敏度由大到小依次为：竖向荷载、拆柱的层数、柱的混凝土强度等级、纵筋强度等级、预应力钢筋截面面积、预应力钢筋强度等级、梁的混凝土强度等级。其中拆柱层数和荷载大小在鲁棒性优化设计时是确定的一个定值，因此合理的增大混凝土强度和增大预应力钢筋截面面积均有利于鲁棒性的提高。
参考文献（略）