B.3 设计方法

B.3.1  一般永久作用和可变作用下结构的设计程序是概念设计、计算分析和构造处理，而在结构整体稳固性设计中，概念设计和构造处理往往比计算分析更为有效和重要。这是因为：①本附录考虑的偶然作用，如爆炸、撞击，不确定性很大，即使计算方法是精确的，分析结果也未必是准确的，因为设计采用的作用值只是一个协议值；②爆炸、撞击等偶然作用是动态作用，结构的反应也是动力反应，准确计算结构的动力反应实际上是困难的，特别是当结构局部区域进入材料非线性和几何非线性状态后。有些结构设计本身就难以做到精确的内力计算，例如砌体结构。对于砌体结构，通过设置构造柱和圈梁、加强结构不同区域的联系对于保持结构整体稳固性比计算会更有效。

    本条所提的结构整体稳固性设计方法是广义概念上的设计方法，只要对保持结构整体稳固性有效，都可以采用。控制事件法属于从源头上降低结构连续倒塌风险的设计方法，例如对于住宅，通过安装天然气泄漏报警器使泄漏的天然气浓度达到临界浓度之前得到控制，避免爆炸事件的发生；对于有粉尘的工业厂房，通过设计良好的通风系统降低粉尘浓度， 避免然爆事件的发生。抵抗特定荷载法是通过设计使结构或结构构件具有抵抗偶然荷载的能力。替代路径法是通过设计使结构在发生局部破坏后，能够将局部破坏区域的荷载转移到其他完好区域的方法，如当爆炸或撞击使结构底层失去一根柱后，其支撑的梁所承担的重力荷载将部分转移到临近的柱和梁。减轻后果法是通过合理的设计使结构在偶然作用下虽然不能避免发生局部破坏，但局部破坏的范围得到控制从而避免结构整体发生连续倒塌的方法。例如对于住宅或饭店，天然气是影响结构整体稳固性的危险源之一，如果采用框架结构设计时将厨房布置在靠近外墙的位置，则发生天然气爆炸事件后，高压气体能够迅速通过窗口或推开外墙得到释放，主体结构受影响较小；反之，如果厨房布置在靠近房屋中心的位置，当爆炸事件发生后高压气体要从里向外宣泄，内墙、外墙都会发生破坏，还可能影响主体结构承载。另外，从降低燃气爆炸后果的角度考虑，采用大窗口的墙比小窗口的墙更有利，高压气体容易通过窗口释放而使墙体得到保护。

    本条只是列出了几种保持结构整体稳固性的设计方法，几种方法也可同时采用，设计中还可以根据结构的具体情况采用其他的方法，要充分调动设计人员的主观能动性。

B.3.2  本标准第3.2.6条规定了建筑结构一般永久作用和可变作用下（持久设计状况）的最低可靠度水平，按这一可靠度水平进行设计技术上是可行的，经济上也是合理的。由于偶然作用的量值一般很大（偶然设计状况），保证结构具有与一般永久作用和可变作用时相同的可靠度水平技术上是困难的，经济上往往也是不合理的。考虑到偶然事件发生的概率毕竟很小，绝大部分结构在其设计使用年限内不会遇到偶然事件。所以允许偶然事件发生时结构出现局部破坏，但在个别关键构件失效的情况下，结构局部破坏的区域仍有一定承载力及将部分荷载转移到剩余结构的能力，同时局部破坏不会引起剩余结构的链式倒塌，不影响结构的整体稳固性，即当偶然事件发生时，结构抗连续倒塌设计的策略之一就是通过牺牲局部利益保全整体利益。

    偶然事件发生后结构局部受到损坏，但只要在自重和准永久可变荷载下不发生连续倒塌，即可避免重大的经济损失和人身伤亡，通过修复使结构复原，继续使用。不同类型和材料的结构局部损坏后保持整体稳固性的能力是不同的，延性结构和局部损坏后性能受延性构件控制的结构，整体稳固性决定于结构的变形能力；而脆性结构和局部损坏后性能受脆性构件控制的结构，整体稳固性决定于结构的承载力。设计中需要根据结构局部损坏后的性能进行承载力和变形验算。由于不同材料结构的性能不同，变形限值由各材料结构设计标准规定。

B.3.3  线性静力方法、非线性静力方法和非线性动力方法是复杂程度依次增大、理论上讲计算精度依次增高的结构分析方法。线性静力方法和非线性静力方法不能直接反映偶然作用及瞬间结构体系改变产生的动力效应，动力效应需要专门进行考虑。美国国防部有关标准和美国公共事务管理局《新联邦大楼与现代主要工程抗连续性倒塌分析与设计指南》规定，按线性静力方法和非线性静力方法进行分析时，局部破坏后的竖向荷载放大一倍。由于不同类型结构的弹塑性分析方法有很大不同，具体由各材料结构设计标准规定。

    试验表明，结构材料强度随加载速度的提高而提高，这对于结构抗连续倒塌是有利的，设计中考虑这一有利影响，可减小为保证结构整体稳固性而额外增加的费用。如本标准附录B第B.3.2条条文说明指出的，从经济上考虑，结构遭受巨大的偶然作用时不需达到持久设计状况时的可靠度水平。因此设计和验算时材料性能可取设计值、标准值或平均值，但要经分析确定。

B.3.4  本标准第3.2.1条根据结构破坏后果规定了结构的安全等级。结构因整体稳固性不足而发生连续倒塌的后果的性质是相同的，即人身伤亡、经济损失、社会影响、环境影响等，故采用本标准第3.2.1条的安全等级对结构进行整体稳固性设计，但如本标准附录B第B.3.2条条文说明所论述的，偶然设计状况的结构可靠度水平与持久设计状况的可靠度水平是不同的。

    不管是哪一安全等级的结构，针对整体稳固性进行概念设计和构造处理都是必要的，这是结构整体稳固性设计的基本原则，也是投入低而效果显著的方法。安全等级为三级的结构属于不重要的结构，倒塌造成的后果不大，只要求进行概念设计和构造处理就能获得必要的抗连续倒塌能力。安全等级为二级的结构属于量大面广的结构，进行概念设计、构造处理并采用线性静力方法进行计算，这样既能够在构造上满足结构抗连续倒塌的要求，设计计算也不复杂，与一般持久状况设计的复杂程度是一致的。安全等级为一级的结构倒塌破坏造成的后果严重，对整体稳固性的要求较高，要求进行概念设计、构造处理和复杂程度不低于线性静力方法的方法进行计算，当线性静力方法不能合理反映结构的非线性特征或动力反应时，再采用非线性静力方法或非线性动力方法进行计算。