新论文：基于有限元软件开发研究——以Bathe-Ramaswamy本构向OpenSees集成为例

#1 研究背景简介Champlain Towers South公寓位于美国佛罗里达州，于1981年建成，为一栋12层钢筋混凝土无梁楼盖结构住宅，共136户住宅单元，另设地下停车 库。建筑整体由西楼、中楼和东楼三部分组成，其中中楼和东楼南侧设有泳池平台，泳池平台及街面停车层通过钢筋混凝土板柱体系支撑于地下车 库柱上，如图1所示。2021年6月24日，泳池位置的地下车 库首先发生坍塌，随后倒塌延伸至结构的地上部分——中楼和东楼，仅西楼得以保留，事故共造成98人遇难。 图1：建筑总体设计事故发生后不久，课题组基于公开图纸、现场照片、网络视频等资料结合团队已有板柱结构抗连续倒塌方向研究成果，在Frontiers of Structural and Civil Engineering 期刊上发表了题为《A Preliminary A nalysis and Discussion of the Condominium Building Collapse》的论文，对事故原因和倒塌过程进行了初步推断。此后，美国国家标准与技术研究院（NIST）历时近五年完成了事故调查。调查工作涵盖了现场残骸检测、材料检测、施工质量复核、有限元分析、足尺结构试验、计算机视觉分析、视频摄影测量、目击者访谈以及大量理论计算，最终发布了完整调查报告。资料来源采用资料2021年论文Lu Xinzheng 等，A preliminary an alysis and discussion of the condominium building collapse in Surfside, Florida, US, June 24, 2021. FSCE, 2021, 15(5):1097–1110. DOI:10.1007/s11709-021-0766-0公开图纸、公开照片/视频、新闻资料；规范验算；典型板柱节点LS-DYNA精细有限元；physics engine整体倒塌模拟。NIST 2026NIST新闻稿（2026-06-22）及页面内主视频“NCST Champlain Towers South Investigation | Technical Findings (June 2026)”字幕。现场物证、历史记录、访谈、材料试验、岩土研究、全尺寸构件试验、计算模型、视频图像分析；对多个可能场景进行筛选。本文结合课题组论文和NIST最终调查报告，对两者关于事故原因、初始破坏位置、倒塌传播过程及结构失效机理等方面的研究结果进行对比分析，说明事故早期快速分析所具有的前瞻性和指导意义。 #2 初始破坏发生的位置事故发生后，课题组根据结构布置、荷载传递路径以及公开图纸，判断初始破坏应发生在泳池平台区域，而不是住宅塔楼内部。泳池平台采用无梁楼盖体系，其板柱节点冲切承载力较低，并且长期受到环境侵蚀，是整个结构最薄弱的部位，因此最有可能首先发生冲切破坏，随后导致地下车 库失效，并进一步诱发大楼的倒塌。NIST调查基本证实了这一判断。调查报告进一步精确定位了初始破坏发生于泳池平台K13.1和L13.1两个板柱节点（图2），并通过多种独立证据进行了验证。首先，理论计算和有限元分析均表明，这两个节点具有全楼最低的冲切安全储备；在倒塌发生前的前三周，目击者拍摄到位于K13.1附近花坛墙出现贯穿水平裂缝，花坛箱发生明显位移，而14个月前同一位置照片尚未出现任何损伤；同时连接泳池平台与停车场的大门开始发生卡滞，下沉约13 mm。事故前一周，大门再次下沉约25 mm，L13.1柱周围出现大量集中漏水，并伴随地下车 库顶板标高变化。事故前24小时，目击者发现花坛与楼板之间形成明显缝隙；事故前9小时，地下车 库裂缝漏水迅速增大，由滴水发展成类似“水龙头放水”的持续流水。上述现象均与节点发生冲切后楼板局部下沉的变形特征高度一致，因此最终确定K13.1和L13.1为最可能的初始破坏位置。 图2：初始破坏位置示意图 #3 初始破坏发生的原因课题组依据原始设计图纸，基于现行的中国规范对泳池平台下方节点及塔楼板柱体系进行了多项规范验算，包括板柱节点抗冲切承载力验算、柱轴压比验算以及整体结构层间位移角验算，并结合有限元分析发现如下问题：1）节点的冲剪承载力不足以抵抗荷载带来的竖向剪力；2）柱的轴压比超限；3）大楼的层间位移角超限。NIST团队通过调查后认为，本次事故并不存在爆炸、车辆撞击或极端荷载等单一诱因，而是长期存在的结构缺陷与环境退化共同作用，使板柱节点安全储备逐渐降低至零。调查首先对原设计进行了独立复核，结果发现泳池平台大量板柱节点及楼板弯曲承载力均不满足1981年美国设计规范要求，在部分位置设计承载力甚至不足规范要求的50%。随后，对倒塌残骸的检测发现施工质量同样存在明显偏差。例如，设计图纸要求楼板上部钢筋保护层厚度为0.75 in（19 mm），而实际测量普遍达到约2 in（51 mm），使有效高度明显减小，导致冲切承载力显著下降；设计要求柱上板带中至少25%的受弯钢筋应穿过柱区域，而现场发现只有约12.5%能够穿柱，仅为设计要求的一半；此外，上部钢筋间距比设计值增大20%～40%，导致柱周围钢筋数量进一步减少。上述施工偏差均直接削弱了板柱节点抗冲切能力（图3）。 图3：承载力，钢筋配置不合规建筑服役期间又不断增加恒载，使结构安全裕度进一步降低。原设计图纸中并不存在大型混凝土花坛，而实际建造时设置了大量大型花坛并长期种植棕榈树；1996—1997年维修期间新增砂垫层及铺装砖，也增加了泳池平台恒载。（图4）同时，泳池平台长期存在漏水问题，钢筋在含氯环境中不断腐蚀。NIST对数百根钢筋进行了腐蚀等级检测，并开展了8组足尺板柱节点试验，结果表明，中等程度腐蚀即可明显降低板柱节点冲切承载力。综合有限元分析、足尺试验以及理论计算，调查认为长期钢筋腐蚀是最终导致K13.1和L13.1板柱节点发生冲切破坏的决定性因素，而设计不足和施工偏差则是导致建筑荷载冗余度极低的根本原因。 图4：擅自变更建筑设计规划 #4 初始破坏的传播课题组的分析表明，初始破坏传播的主要原因也归结为节点内钢筋构造问题，例如，倒塌大楼的柱带上部钢筋在距柱边一定距离便被截断，底部贯通钢筋数量不足，一半钢筋在柱区搭接，搭接长度仅149 mm，而我国现行规范要求同类钢筋搭接长度约530 mm；同时，底部完整贯通钢筋不允许截断，且推荐采用暗梁加强板柱节点。课题组采用相同节点建立改进模型进行数值模拟，结果表明，按照我国现行规范进行配筋后，节点冲切后的悬挂承载力可提高约97%（图5）。原节点的构造导致板柱节点在冲切后的悬挂承载能力极低，一旦发生冲切，荷载无法重新分配，从而极易导致破坏的传播。 图5：数值模型与结果NIST团队发现，在两处板柱节点发生冲切后，泳池平台并未立即整体坍塌，而是通过楼板弯曲作用和压膜作用将荷载重新分配至邻近柱上，使邻近节点承受更大的冲切剪力。随着荷载不断转移，15轴（B点）附近板柱节点随后发生冲切失效，之后破坏继续向11.1轴（C点）扩展，并最终导致泳池平台南侧楼板脱离支撑（D点）。此整个泳池平台失去连续支承，楼板最终坠落至地下车 库，压覆车辆及车 库底板（图6）。 图6：地下车 库倒塌顺序 #5 中楼与东楼的的坍塌课题组采用了有限元分析与物理引擎相结合的方法进行对倒塌在大楼内的传播进行了模拟。首先，根据建筑原始图纸建立整体结构模型，并结合前述板柱节点分析结果，确定泳池平台板柱节点首先发生冲切破坏；随后，将各楼板、柱及剪力墙离散为刚体单元，通过物理引擎定义构件之间的连接关系及失效准则，在关键节点失效后自动计算构件碰撞、分离及连续坠落过程，从而快速重建建筑整体倒塌过程。模拟结果表明，当泳池平台首先发生局部失效后，中楼由于失去下部支撑首先整体坍塌；随后，中楼坍塌产生的冲击和拉拽作用导致东楼继续失稳并整体倒塌，而西楼由于剪力墙布置相对集中，对倒塌传播形成有效阻隔，因此主体结构最终得以保留（图7）。 图7 ：地上建筑倒塌顺序的模拟NIST团队指出，当泳池平台整体坍塌至塔楼南侧边界时，与中楼连接的K9.1和L9.1两处一层板—梁—柱节点受到严重拉拽。由于泳池平台梁板整体脱离，节点内钢筋及混凝土被直接从塔楼中拉出，使节点承载能力急剧下降。 为了证明其推论，NIST专门制作了两组足尺板—梁—柱节点试件，在试验中首先在代表车 库部分的梁板部位施加竖向荷载模拟13层建筑重量，然后施加水平拉力模拟泳池平台坍塌。试验结果表明，节点混凝土迅速压碎，柱纵筋发生屈曲，柱开始整体下沉，与事故残骸完全一致。监控录像进一步证实了这一结论。事故发生瞬间，中楼屋顶及12层立面首先整体下沉约2.54 m，且建筑立面保持完整形状，没有出现明显变形。这说明失效位置位于建筑下部一层节点，而非上部楼层。楼内监控视频经过计算机视觉分析后发现，L9.1附近楼板在正式整体坍塌前已累计下沉约460～690 mm，且下沉速度持续加快，进一步证明中楼首先由底层柱失效触发连续倒塌。中楼开始下沉后，楼板荷载迅速向北侧重新分配，引起连续板柱节点冲切破坏，倒塌沿中楼由南向北逐跨传播。NIST通过屋顶监控视频、楼内摄像机以及计算机视觉位移测量发现，屋顶不断暴露出北侧柱顶，证明倒塌前锋持续向北推进。同时，有限元分析表明，中楼倒塌属于典型板柱结构连续倒塌，其传播机制主要为连续冲切破坏。中楼与西楼交界处最终阻止了坍塌继续扩展。调查发现，该区域存在剪力墙和较强的楼板连接，有限元分析表明，楼板自身首先发生弯曲断裂，而不是柱节点继续发生冲切，因此破坏无法进一步向西传播，西楼主体得以保留（图8）。 图8 ：破坏在西楼终止示意图与此同时，中楼整体下沉对东楼产生持续向西拉拽作用。南侧监控录像经过摄影测量分析显示，东楼首先向西移动，随后发生回摆，再次向西摆动。当中楼完全坍塌后，对东楼的约束消失，东楼侧移达到约530 mm，下部柱侧移超过承载能力，最终发生整体失稳并坠落。事故残骸中发现大量保持多个楼层高度的连续柱段，柱体上保留了多个楼层冲切锥破坏痕迹（图9），这说明东楼倒塌同样伴随着连续板柱冲切破坏。监控录像分析、残骸调查、足尺试验和有限元模拟共同验证了这一倒塌传播机制。 图9 ：东楼节点发生冲剪破坏的证据 #6 初步分析报告和NIST报告的最终对比表2：两份分析报告的一致性比较主题2021年课题组调查报告NIST 2026评价主控机制指出平板结构板柱节点冲切是最可能的局部破坏机制之一，并可能触发渐进倒塌。确认初始破坏为泳池平台下方板柱连接冲切破坏。高度一致；NIST将机制法证化。初始破坏位置为复现宏观倒塌，假定中部塔楼lobby level 8根柱移除。定位为K13.1/L13.1附近泳池平台连接先后失效。主要差异；2021模型是触发场景，NIST给出真实起点。时间尺度关注局部损伤后的快速动力倒塌过程。揭示“数周隐蔽损伤演化 + 数分钟/数秒快速倒塌”。NIST显著补充了前史链条。安全储备节点、柱和整体体系安全储备低，鲁棒性不足。从设计、施工阶段起安全储备过低，后期附加荷载和腐蚀进一步削弱。一致；NIST证据更全面。构造细节完整性钢筋不足，post-punching能力弱，荷载重分配能力差。K9.1/L9.1等节点构造脆弱，泳池平台拉脱后节点压碎，塔楼进入渐进倒塌。一致；NIST定位到实际受损节点。倒塌传播中部先塌，随后向东传播；西部由墙体/体系阻止。泳池平台→中部塔楼→东部塔楼；西部传播被阻止。宏观路径一致。东部塔楼东侧抗传播能力不足。中部坍落对东部产生横向拉动和侧摆，底部柱失效。NIST提供更细动力解释。耐久性因素提出腐蚀、开裂、防水问题等可能相关，但未纳入定量分析。确认长期腐蚀和防水失效是削弱安全储备的重要因素。方向一致；NIST给出证据支撑。外部因素早期阶段保留多种可能因素。排除施工振动、基础破坏、风暴、爆炸/冲击、屋面超载等。NIST具备排除性证据。 #7 结论Champlain Towers South公寓的倒塌是由于设计缺陷、施工偏差、长期环境退化以及维护不足共同作用下形成的。从调查结果可以看出，泳池平台板柱节点自建成之初便存在低承载力冗余度这一问题，施工过程中钢筋位置偏移、钢筋配置不符合规范等问题进一步削弱了节点性能。在长达40年的服役过程中，泳池平台长期漏水，氯盐侵蚀导致钢筋持续腐蚀，同时后期新增花坛、铺装等永久荷载不断增加，使结构的安全储备逐渐被消耗。当K13.1和L13.1板柱节点达到极限状态后，冲切破坏首先发生，并通过板柱体系的荷载重分配不断向周围扩展，最终演变为泳池平台整体坍塌，并进一步导致破坏中楼底层柱的屈曲，引发中楼和东楼的连续倒塌。课题组的初步分析完成于事故发生后不久，当时现场调查尚未展开，能够获取的信息极为有限，仅依靠公开图纸、现场照片、视频资料以及已有的理论，对事故起源、关键失效模式并以及整体倒塌传播路径进行了判断，结果与NIST历时五年，使用更加丰富的现场证据、足尺试验、数值分析和视频重建的最终调查报告具有很好的一致性。 #8 一些思考事故发生前数周甚至数月，建筑已经出现了大量可观测的异常现象，包括花坛墙开裂、楼板局部下沉、大门卡滞、地下车 库持续漏水以及裂缝快速扩展等。这些现象实际上反映了结构内部已经发生了冲切损伤和刚度退化。然而，由于当时缺乏对板柱结构连续倒塌风险的充分认识，也未能及时采取有效的结构监测和加固措施，最终错过了阻止事故发生的最后机会。这起事故充分说明，对于无梁楼盖板柱结构而言，板柱节点的抗冲切能力是决定结构安全的关键因素。设计阶段应保证足够的抗冲切安全储备，严格控制施工质量，避免钢筋位置和配筋数量偏离设计要求；服役阶段应重点关注长期漏水、钢筋腐蚀以及荷载变化对结构性能的影响，建立完善的定期检测、结构健康监测和风险评估制度。传统板柱结构的研究背景通长假设结构遭受极端意外荷载（爆炸，撞击，超载等），而Champlain Towers South公寓的悲剧也在提示我们，造成连续倒塌的原因也可能是是由于长期的腐蚀导致节点的退化。这为此领域未来研究发展提示了方向。 参考文献[1] Lu X., Guan H., Sun H., Li Y., Zheng Z., Fei Y., Yang Z., Zuo L. A preliminary an alysis and discussion of the condominium building collapse in Surfside, Florida, US, June 24, 2021. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 2021, 15(5):1097–1110. DOI:10.1007/s11709-021-0766-0.[2] NIST. NIST Releases Technical Findings on What Caused the 2021 Partial Collapse of Champlain Towers South. June 22, 2026. https://www.nist.gov/news-events/news/2026/06/nist-releases-technical-findings-what-caused-2021-partial-collapse.[3] NIST video page. NCST Champlain Towers South Investigation | Technical Findings (June 2026). https://www.nist.gov/video/ncst-champlain-towers-south-investigation-technical-findings-june-2026. 来源：陆新征课题组