工程结构的鲁棒性.ppt
工程结构的鲁棒性,*大学土木工程系 教授 2023年2月9日,目前我国土木工程结构教育和各种工程结构设计规范的主要内容，对结构安全性的计算都是着落于结构构件这显然没有能够使得结构工程师更多的考虑整体结构的安全性这是我国工程结构教育、结构工程师训练、设计水平和能力不足的一个重要原因，也是导致某些工程结构安全性不够的重要原因,虽然结构构件的安全性与整体结构的安全性有一定的联系，但结构构件的安全性整体结构的安全性所有结构构件安全性相同的结构，其整体结构的安全性不一定相同一个结构工程师的设计水平，往往体现在他对整体结构安全性的把握工程结构的鲁棒性就是研究整体结构安全性，使结构工程师在保证结构构件安全性的前提下，更多的关注整体结构的安全性,提纲结构鲁棒性的概念和意义结构破坏的定义结构体系与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性赘余构件与鲁棒性结语,提纲结构鲁棒性的概念和意义结构破坏的定义结构体系与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性赘余构件与鲁棒性结语,耐久性,适用性,承载能力极限状态,安全性,Safety,Serviceability,Durability,结构鲁棒性的概念和意义,鲁棒性 Robustness,Robustness的中文含义是：强壮的、健全的、费力的、坚固的、耐用的鲁棒性：鲁智深的棒子鲁棒性：粗鲁的棍棒鲁棒性就是整体结构的健壮性,鲁棒性 Robustness,鲁棒性，结构的整体性鲁棒性，结构的抗倒塌性易损性，结构容易受到伤害或损伤的程度鲁棒性的反意是易损性（Vulnerability）Jitendra A等（2003）对结构易损性的解释是，局部很小的破坏导致很大的结构破坏显然一个整体性好的结构，也即结构的局部破坏不影响结构的整体安全性时，结构的易损性就小，鲁棒性就大,鲁棒性 Robustness,Robustness的中文含义是：强壮的、健全的、费力的、坚固的、耐用的相对于工程结构在正常情况下的安全性、适用性和耐久性的性能，工程结构的鲁棒性是指整体结构抵御意外事件的能力事实上，结构的安全性往往是在意外事件情况下才能体现出来,鲁棒性 Robustness,意外事件是指在工程结构使用阶段可能出现，但其量值、作用形式和作用位置难以估计的非正常荷载和作用（如极罕遇地震、飞机撞击、恐怖爆炸袭击、重大人为失误等）对于意外事件，在工程结构的设计阶段通常无法进行细致全面和深入的分析，并给予充分保证工程结构在意外事件发生时和发生后，应能保持整体稳定性，不应发生与其原因不相称的倒塌或连续破坏，造成重大的生命和财产损失,鲁棒性与安全性既有联系，又有区别两者都是关心的工程结构安全问题，但鲁棒性是以避免工程整体结构的终极垮塌为目标，是无法接受的安全性上限而安全性通常是以结构（构件）的最大承载力为目标，即按所谓的“承载力极限状态”来考虑的安全性。结构达到最大承载力（极限状态）并不意味着结构的垮塌安全性是针对正常使用荷载和作用来考虑的，而鲁棒性是针对意外荷载和作用来考虑的,鲁棒性与安全性的关系,鲁棒性与安全性既有联系，又有区别,安全性正常荷载和作用构件破坏构件最大承载力弹性计算承载力,鲁棒性与安全性的区别,鲁棒性意外荷载和作用结构破坏(结构体系)结构最大承载力构件连接弹塑性计算变形,提纲结构鲁棒性的概念和意义结构破坏的定义结构体系与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性赘余构件与鲁棒性结语,结构破坏的定义,鲁棒性是研究结构产生灾害性后果的破坏，如坍塌、连续破坏、倾覆。因此，首先需要对结构破坏有一个明确的概念。,以构件破坏定义 以结构最大承载力定义 以结构极限变形定义 以结构承载力降低到最大承载力的某一百分比定义 以结构形成可变机构定义,结构破坏的定义,以构件破坏定义结构中任一个构件的破坏即导致结构垮塌。,结构破坏的定义,台湾地震，1999年9月21日，死亡2400多人,神户地震，1995年1月17日，死亡6430 人,台湾地震，1999年9月21日，死亡2400多人,以构件破坏定义结构中任一个构件的破坏即认为是结构破坏符合这种破坏定义的结构，其鲁棒性小，即整体结构的鲁棒性取决于结构中（首先破坏的）关键构件的鲁棒性要提高这类结构的鲁棒性，必需提高关键构件的鲁棒性，或增加关键构件的安全储备,结构破坏的定义,以结构的最大承载力定义对于超静定结构，一个构件达到最大承载力，并不意味着整体结构达到最大承载力。如果先破坏的构件具有足够的延性，则整体结构的承载力在第一个构件破坏后仍然可以继续增加，但整体结构的刚度会有所降低，直至结构中有足够多的构件达到破坏，结构才达到最大承载力。这意味着在达到结构最大承载力以前，那些达到承载力构件的延性对结构的鲁棒性具有重要意义。,结构破坏的定义,不丧失整体结构的冗余度,以结构的最大承载力定义,结构破坏的定义,以结构的极限变形定义对于延性好的结构，在达到最大承载力后并不会立即垮塌，而是在保持一定承载力的情况下可以继续经受一定的变形，直至达到极限变形结构的极限变形通常发生在结构的最大承载力之后，反映了结构破坏前的变形能力，代表结构实际破坏的极限状态,结构破坏的定义,以结构的极限变形定义,结构破坏的定义,0,20,40,60,80,100,120,140,160,0,50,100,150,Lateral Displacement at Frame Top(mm),Lateral Force at Frame Top(kN),以结构承载力降低到最大承载力的某一百分比定义通常按降低15考虑。尽管极限变形反映结构实际破坏的极限状态，但超过最大承载力后，结构的承载力随变形的增加不断降低（材料强度降低、截面损伤、PD效应），如果这种承载力降低发生在结构竖向承重关键构件，则会因不能继续承担上部结构自身的重量而发生垮塌。,结构破坏的定义,提纲结构鲁棒性的概念和意义结构破坏的定义结构体系与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性赘余构件与鲁棒性结语,明确结构体系中不同构件的作用 对于结构的鲁棒性来说，结构中的不同构件对于结构鲁棒性的贡献是不同。,结构体系与鲁棒性,关键构件一般构件次要构件赘余构件,明确结构体系中不同构件的作用 关键构件是指其破坏容易引起结构大范围的破坏或垮塌的构件。结构工程师应具有确认结构体系中关键构件的能力。,结构体系与鲁棒性,相对于关键构件，结构中的次要构件是指那些破坏后不会导致整个结构严重破坏的构件。次要构件的破坏甚至不会达到结构的最大承载力或极限变形，或也不会使得结构的承载力有很大降低，或也不会使得结构形成几何可变体系。,明确结构体系中不同构件的作用 除关键构件和次要构件外，其它结构构件属于一般构件。一般构件的破坏对整体结构的承载力有一定影响，但不会导致整体结构的承载力产生急剧降低。通常，一定数量的一般构件破坏后才会导致整体结构的严重破坏。,结构体系与鲁棒性,明确结构体系中不同构件的作用 正确区分结构中的关键构件、一般构件和次要构件是保证结构抗震设计具有足够鲁棒性的前提。然而，目前我国各种结构设计规范，往往都是针对一般结构构件的设计计算（实际上是针对构件的截面承载力计算的），且所有结构构件的安全度基本都是相同，这种做法违背结构鲁棒性原则，因为目前计算出的可靠度并不能直接换算成结构的破坏概率，它与结构的整体倒塌更无可比性（陈瑞金、刘西拉，1989）。,结构体系与鲁棒性,明确结构体系中不同构件的作用 从结构的鲁棒性观点来看，构件的安全度与结构的安全度完全是两回事，这一点往往被我国结构设计人员所忽视，在我国各类结构设计规范中也强调得很少。,结构体系与鲁棒性,明确结构体系中不同构件的作用 基于结构鲁棒性原理，对于关键构件应增加其安全度，或者将关键构件设计成具有鲁棒性的构件尽管这种区分和提高安全度要求的做法可能仅仅是概念性，然而这种原则规定对工程师在设计时是有重要提示的。,结构体系与鲁棒性,明确结构体系中不同构件的作用 基于结构鲁棒性原理，对于关键构件应增加其安全度，或者将关键构件设计成具有鲁棒性的构件。抗震规范中对增加关键构件的安全度虽有所体现（如抗震等级、强柱弱梁、强连接弱构件的设计原则和方法、框支柱的承载力增大系数），但在结构总体抗震设计原则上没有针对不同结构体系来区分关键构件，并给出相应的更高要求的安全度。尽管这种区分和提高安全度要求的做法可能仅仅是概念性，然而这种原则规定对工程师在设计时是有重要提示的。,结构体系与鲁棒性,明确结构体系中不同构件的作用 目前确定关键构件有一些理论和方法还不成熟。因此，凭借工程师对整体结构的理解和把握来区分关键构件可能更为实际。砌体结构墙体 排架结构排架柱 框架结构框架柱，已采用“强柱弱梁”方法进行考虑；框架-剪力墙结构剪力墙；框架-核心筒结构核心筒；特别是近年来出现的钢框 架-核心筒结构，核心筒的安全度应 比现行规范明显提高；巨型框架结构巨型框架柱；筒中筒结构，内外筒同等重要；束筒结构的所有筒体均同等重要。,结构体系与鲁棒性,北京电视中心,日本横滨地标,明确结构体系中不同构件的作用 对于关键构件，还可以采取合理的设计，使其成为具有鲁棒性的构件，使结构的鲁棒性得到提高如分体柱、钢骨混凝土柱、钢管混凝土叠合柱、有边缘约束构件的剪力墙,结构体系与鲁棒性,结构体系与鲁棒性,结构体系与鲁棒性,结构体系与鲁棒性,结构体系与鲁棒性,结构体系与鲁棒性,由于结构形式和破坏模式不同，关键构件还可分为整体型关键构件和局部型关键构件。如剪力墙属于整体型关键构件，而框支柱属于局部型关键构件。对于局部型关键构件应具有更高的安全度。,结构体系与鲁棒性,整体型关键构件破坏前，有许多与其关联的次要构件先行破坏而局部型关键构件破坏时，结构中其它构件往往尚未破坏典型的例子是新中央电视台大楼，由于其特殊的结构形式，结构中有很多构件都成为局部型关键构件,结构体系与鲁棒性,尽量形成超静定结构 结构的鲁棒性与结构的超静定次数密切相关。超静定次数也即在结构鲁棒性研究所说的结构冗余度。冗余度是结构备用传力路径的指标结构的冗余度越大，结构备用传力路径越多，鲁棒性也越高。,结构体系与鲁棒性,尽量形成超静定结构 当然，如果超静定次数都是集中于结构次要构件部分，这种冗余度增加对提高结构鲁棒性的作用不大如框支结构，即使上部结构的冗余度再大，也不会提高结构的鲁棒性，因为此时结构的鲁棒性集中于局部型关键构件的框支部分因此，只有对具有整体型关键构件的结构增加冗余度，才具有提高结构鲁棒性的意义,结构体系与鲁棒性,尽量形成超静定结构 在结构中增加赘余构件，也会使得结构超静定次数增加。有时，可以利用一些非结构构件来作为赘余构件，如隔墙，可以通过加强其与主体结构构件的连接，使其成为赘余构件；又如，利用结构中的一些连系梁作为赘余构件，也可以使得整体结构的超静定次数大大增加。,结构体系与鲁棒性,增强结构的整体牢固性 结构鲁棒性大的一个重要标志，就是结构具有整体性破坏模式，而不会由于结构的局部破坏导致产生严重后果因此，通过加强构件的连接或专门设置的某些构件来增强结构的整体性，对提高结构的鲁棒性有重要意义如砌体结构中的圈梁和构造柱，不仅可显著提高墙体的承载力和变形能力，更重要的是使得原来较为松散的块体结构被这些圈梁和构造柱连接形成整体，极大的提高了结构的抗震鲁棒性,结构体系与鲁棒性,唐山地震，1976年7月28日，死亡242,769人,增强结构的整体牢固性,结构体系与鲁棒性,增强结构的整体牢固性,结构体系与鲁棒性,增强结构的整体牢固性 增强结构的整体牢固性，一般可通过可靠的连接或增强连接构造措施来实现，如原来铰接连接改为刚结连接。对于装配式结构，加强构件间的连接构造措施特别重要，如预制楼板之间，应采取措施将板端钢筋拉结，使楼板形成整体。这种措施，通常费用增加较少，只是需要在设计中提高增强连接构造的意识，并加强施工管理即可。,结构体系与鲁棒性,增强结构的整体牢固性 显然，整体现浇混凝土结构，由于其整体性好，因而具有较好的抗震鲁棒性。而相对于钢结构，尽管钢构件本身具有较好的延性，但如果过多的采用螺栓连接，其整体性反而较差。即使是焊接，由于焊接区域材料的强度有可能低于钢构件本身的强度，可能导致连接部位先于构件破坏，使得在罕遇地震下结构的整体性丧失。美国世贸大厦产生连续垮塌的原因之一，就是楼盖结构与框筒结构的连接薄弱。,结构体系与鲁棒性,多重抗震结构体系 多重抗震结构体系就是具有两个以上的整体性关键构件的结构体系，当其中的一个整体性关键构件在罕遇地震下遭受一定程度的破坏，第二个整体性关键构件依然可以使得整个结构具备一定的抗震能力。束筒结构、筒中筒结构、框架剪力墙结构等都是具有多重抗震体系的结构。,结构体系与鲁棒性,鲁棒性与冗余度,与结构鲁棒性相关的另一个概念是结构的冗余度 Redundancy结构的冗余度，即结构的超静定次数。但对结构鲁棒性来说，冗余度意味着具有备用传力路径，也即当意外事件造成结构中的某一构件或局部破坏而丧失其承载能力，其原有传力功能可转由结构其它未破坏部分传递，称为备用传力路径和备用传力能力。冗余度大的结构，整体性好，备用传力路径多和备用传力能力大，其鲁棒性也高。,提纲结构鲁棒性的概念和意义结构破坏的定义结构体系与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性赘余构件与鲁棒性结语,结构的破坏模式可以分为整体型破坏模式和局部型破坏模式。具有整体破坏模式的结构有：强柱弱梁框架结构、剪力墙结构、筒体结构、束筒结构、巨型框架结构等；而框支结构、积木式结构（砌体结构）则往往容易产生局部式破坏模式，也即结构局部的损坏即可能导致整体结构的严重破坏、并造成重大灾害。只有对于具有整体式破坏模式的结构，提高结构鲁棒性的措施才具有实际意义。,结构破坏模式与鲁棒性,具有整体型破坏模式的结构，其结构体系中构件的重要性层次明确，即具有整体型关键构件、一般构件、次要构件和赘余构件，次要构件和赘余构件的破坏，乃至从结构去除，都不会对整体结构的安全性有重大影响。从结构抵御意外事件角度来看，整体型破坏模式的结构可以使得更多的（次要或赘余）构件破坏，有利于耗散更多的能量。,结构破坏模式与鲁棒性,对于普通框架结构，尽管采取了“强柱弱梁”等抗震设计概念和措施，但柱底塑性铰是难以避免的，同时由于地震作用对结构影响的随机性，其它楼层框架柱上端出现塑性铰的可能性也难以避免，因此即使是“强柱弱梁”型框架结构，也难以避免会出现局部式破坏模式。,结构破坏模式与鲁棒性,对于普通框架结构，尽管采取了“强柱弱梁”等抗震设计概念和措施，但柱底塑性铰是难以避免的，同时由于地震作用对结构影响的随机性，其它楼层框架柱上端出现塑性铰的可能性也难以避免，因此即使是“强柱弱梁”型框架结构，也难以避免会出现局部式破坏模式。相比而言，剪力墙结构的破坏具有更显著的整体型破坏模式特征，这是大量震害经验显示剪力墙结构抗震性能优于框架结构的重要原因之一，而两种结构的“刚柔”之争对地震作用大小的影响则相对是次要的。同样，筒体结构、束筒结构、巨型框架结构等也是具有更显著的整体型破坏模式特征的结构。,结构破坏模式与鲁棒性,为了使得结构具有整体型破坏模式，可以将结构划分为不同的子结构。对于重要的子结构可提高其结构材料强度和承载力安全储备，并使得这些子结构对整体结构的破坏模式起到控制作用。尼加拉瓜的美洲银行就是最典型的例子；上海东方珠电视台也是一个很好的例子。,结构破坏模式与鲁棒性,尼加拉瓜美洲银行,尼加拉瓜美洲银行平面,北京通用时代1楼,北京通用时代1楼,提纲结构鲁棒性的概念和意义结构破坏的定义结构体系与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性赘余构件与鲁棒性结语,结构的鲁棒性高，意味着结构有更高的安全储备通常人们所理解的结构的安全储备，是指结构的最大承载力与使用荷载的比值。实际上，延性大小也是结构安全储备的重要组成部分。从结构冗余度观点来看，脆性构件的破坏通常导致与该构件相关联的所有冗余度均丧失，而延性构件的破坏则不会导致与该构件相关联的所有冗余度同时丧失，即延性构件对于维持整体结构的冗余度具有重要作用。,结构的承载力和延性与鲁棒性,结构和构件的延性对结构抗震的意义有以下几方面：(1)实际意义上结构破坏的定义，是以结构达到极限变形能力为依据的。延性是结构抗破坏能力的重要指标。足够的延性能力有利于避免结构的突然倒塌。(2)对于超静定的结构，足够的延性有利于充分的内力重分布，有利于提高整体结构的承载力，显著增加整体结构的鲁棒性。(3)对于地震等动力作用，延性和滞回耗能有助于减小结构的地震动力响应。,结构的承载力和延性与鲁棒性,需引起注意是，在讨论结构延性问题时，不能仅仅局限于延性系数，而要将结构的延性与结构的破坏模式联系起来。对于抗震结构来说，整体结构的延性比局部构件的延性更为重要。比如说，延性系数达到6的框支结构，其抗震性能和鲁棒性不可能好于延性系数只有3的剪力墙结构。通常，构件的延性是保证出现塑性铰部位的变形能力和耗能能力。而结构的延性与构件的延性既有联系，又有区别结构的延性反映的是整体结构在某种荷载下的宏观变形能力。,结构的承载力和延性与鲁棒性,具有整体破坏模式的结构，结构中大部分构件的延性得以充分发挥，结构的鲁棒性大；而局部破坏模式，即使局部破坏部位构件的延性很大，其结构鲁棒性也不好。因此，结构延性也只有对具有整体破坏模式的结构才有意义。比如说，延性系数达到6的框支结构，其抗震性能和鲁棒性不可能好于延性系数只有3的剪力墙结构。,结构的承载力和延性与鲁棒性,提纲结构鲁棒性的概念和意义结构破坏的定义结构体系与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性赘余构件与鲁棒性结语,赘余构件是一种特殊的次要构件，对增加结构的鲁棒性具有重要意义，甚至是十分重要的。许多消能减震结构，特别是采用位移型阻尼器的消能减震结构，位移型阻尼器实际上都是一种赘余构件。,赘余构件与鲁棒性,New San Francisco Bay Bridge,New San Francisco Bay Bridge,New San Francisco Bay Bridge,赘余构件在正常使用情况下不起作用或只起很小的作用，但在遭遇意外事件（如罕遇地震）时，它们就能够起作用。赘余构件的破坏、甚至退出（从结构中去除）不会影响整个结构的完整性。,赘余构件与鲁棒性,赘余构件可以看作是结构在意外事件时的自动保险，即以赘余构件的损失和破坏来达到保全和避免主体结构的严重破坏或垮塌。虽然赘余构件的采用可能违背工程经济与简洁的概念，但作为一种特殊的安全储备，对于结构抵御不可预测的意外作用具有重要作用。,赘余构件与鲁棒性,赘余构件的设置应遵循一定的原则，通常要求赘余构件应先于主体结构构件破坏赘余构件应具有足够的延性，使得其破坏后仍可在一定程度上保持结构的整体性，并利用其塑性变形和滞回耗能减小意外事件引起结构的动力响应。,赘余构件与鲁棒性,从某种程度说，对于结构鲁棒性来说，合理设置赘余构件的概念可能比计算设计更为重要。由于赘余构件要求先于主体结构构件破坏，因此赘余构件的安全度不应提高，反而应该降低，只要在正常使用情况下，不因赘余构件的损坏而给使用者带来不适的心理影响即可，否则会适得其反。,赘余构件与鲁棒性,提纲结构鲁棒性的概念和意义结构破坏的定义结构体系与鲁棒性结构破坏模式与鲁棒性结构的承载力和延性与鲁棒性赘余构件与鲁棒性结语,提高结构鲁棒性措施的有以下几个方面：,尽量采用具有备用传力路径的结构体系结构体系应具有层次性，具有整体型关键构件；应从承载力和延性两方面提高整体结构的安全储备，对于整体型关键构件主要提高承载力安全储备，对于其它构件在保证基本承载力安全储备的基础上，提高变形能力安全储备使结构在意外事件作用下具有整体型破坏模式；增加与整体型关键构件相关联的冗余度设置加强结构整体性的构件，并加强构件间的连接构造措施，增强结构的整体性设置专门的赘余构件,欢迎提问！谢谢！,
