鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋的抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)

易文新

摘要：歷次地震中，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋的倒塌造成了嚴(yán)重的人員傷亡。本文針對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行了初步定性分析，以框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓為例指出房屋中的關(guān)鍵構(gòu)件與易損構(gòu)件重合是導(dǎo)致使結(jié)構(gòu)倒塌的重要原因，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的抗震和抗倒塌設(shè)計(jì)提供了些建議。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土框架；教學(xué)樓；抗連續(xù)性倒塌

中圖分類號(hào)：TU378

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-0422（2013）06-0120-03

1 引言

汶川地震中，砌體結(jié)構(gòu)的大量倒塌使得其成為譴責(zé)的焦點(diǎn)，但根據(jù)對(duì)都江堰市在汶川地震中學(xué)校建筑結(jié)構(gòu)震害的統(tǒng)計(jì)，框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的損失程度沒有明顯差別，可見框架結(jié)構(gòu)抗震性能存在的問題同樣不可忽視。抗倒塌設(shè)計(jì)對(duì)于保護(hù)人民的生命安全有重要意義，抗倒塌設(shè)計(jì)已經(jīng)納入了新版《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

建筑物遭遇強(qiáng)震發(fā)生連續(xù)性倒塌是造成人員傷亡的主要原因。連續(xù)性倒塌指“初始的局部單元破壞向其他單元擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性的或大范圍區(qū)域的倒塌”。自1968年倫敦Ronan Point公寓發(fā)生局部連續(xù)性倒塌首次被關(guān)注，再到1995年美國俄克拉荷馬州政府大樓遭遇汽車炸彈襲擊以及2001年美國世貿(mào)中心遭遇恐怖襲擊產(chǎn)生連續(xù)性倒塌，關(guān)于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌能力的研究頗多，產(chǎn)生了一系列結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的設(shè)計(jì)方法。

早期的研究偏重于概念設(shè)計(jì)，主要通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性、延性、冗余度和構(gòu)造措施未挺高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌能力，這依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)素養(yǎng)。隨之產(chǎn)生了拉結(jié)力設(shè)計(jì)法，其要求構(gòu)件和連接滿足最低的拉結(jié)強(qiáng)度要求，以保證結(jié)構(gòu)的整體性和備用傳力路徑及傳遞能力。Breen認(rèn)為，相對(duì)于僅關(guān)注荷載強(qiáng)度，更應(yīng)通過強(qiáng)化結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部系桿的拉結(jié)作用提高結(jié)構(gòu)整體性。目前最為準(zhǔn)確的抗連續(xù)性倒塌方法當(dāng)屬拆除構(gòu)件設(shè)計(jì)法，通過拆除結(jié)構(gòu)中部分構(gòu)件，模擬結(jié)構(gòu)初始損傷對(duì)剩余構(gòu)件的影響，以判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生連續(xù)性倒塌，本文在后文中借鑒了此方法。三種方法設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和可靠度依次提高，伴隨的是計(jì)算量的大幅增加。

以上三種方法中前二者均從結(jié)構(gòu)整體層面來把握設(shè)計(jì)，僅拆除構(gòu)件法反映出局部構(gòu)件對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的影響。本文針對(duì)教學(xué)樓中框架結(jié)構(gòu)這一重要的結(jié)構(gòu)形式，從拆除構(gòu)件法出發(fā)，著眼于局部，指出框架教學(xué)樓中底層柱特別是離外廊較遠(yuǎn)的一排框架柱是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件同時(shí)又是結(jié)構(gòu)的易損構(gòu)件，而關(guān)鍵構(gòu)件與易損構(gòu)件的重合導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌，亦即大量框架教學(xué)樓倒塌的重要原因。

2 我國混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋的震害情況

總結(jié)歷次地震中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋的震害，主要有四個(gè)特點(diǎn)：

2.1 “強(qiáng)柱弱梁”沒有實(shí)現(xiàn)。塑性鉸形成于柱端，而不是在梁端。在圖1、圖2、圖3、圖4中都可見；

2.2 部分房屋因?yàn)殚_窗面積大，窗間墻很短或者沒有，產(chǎn)生短柱效應(yīng)，如圖2所示；

2.3 框架結(jié)構(gòu)房屋破壞順序是從下至上，先是底層破壞，再往上發(fā)展。如臺(tái)灣云林口國?。▓D1）在集集地震中底層最先因?yàn)橹У顾?/p>

2.4 在縱向上有的框架結(jié)構(gòu)房屋出現(xiàn)“疊餅式”破壞（圖1），在橫向上有向背靠外廊方向“疊餅式”（圖3）和整體傾覆（圖4）。

3 關(guān)鍵構(gòu)件與易損構(gòu)件

關(guān)鍵構(gòu)件是結(jié)構(gòu)中一旦失效就會(huì)引起不相稱破壞的構(gòu)件。關(guān)鍵構(gòu)件處在傳力路徑上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一旦失效后就會(huì)引起傳力路徑中斷，引起連續(xù)性坍塌。關(guān)鍵性構(gòu)件的辨別可以通過商用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，依次抽除構(gòu)件后，經(jīng)計(jì)算分析結(jié)構(gòu)損傷程度來進(jìn)行，對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)未判斷。易損構(gòu)件是在所有可預(yù)期地震載荷作用下結(jié)構(gòu)中最先開始破壞并失去承載力的構(gòu)件。對(duì)結(jié)構(gòu)用商用計(jì)算軟件計(jì)算分析即可得到結(jié)構(gòu)的易損構(gòu)件。

而假使結(jié)構(gòu)中某個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件同時(shí)又是結(jié)構(gòu)的易損構(gòu)件，那么在地震載荷下，此構(gòu)件極易破壞失效，引起不相稱破壞的連續(xù)性倒塌?？杀硎境扇缦率阶樱?/p>

關(guān)鍵構(gòu)件=易損構(gòu)件→結(jié)構(gòu)倒塌

4 對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋倒塌分析

4.1 鋼筋混凝土框架房屋的易損構(gòu)件

歷次地震中，“強(qiáng)柱弱梁”破壞機(jī)制沒有實(shí)現(xiàn)，大量出現(xiàn)的柱鉸機(jī)構(gòu)是框架結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)倒塌的重要原因。文獻(xiàn)對(duì)汶川地震災(zāi)區(qū)某典型框架結(jié)構(gòu)建立三種有限元模型進(jìn)行分析：1）一般的純框架模型；2）帶樓板框架模型3）精細(xì)的帶樓板一填充墻框架模型，分析結(jié)果說明現(xiàn)澆樓板對(duì)框架梁的加強(qiáng)作用明顯，不可忽略，按照規(guī)范設(shè)計(jì)的框架無法保證“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)中論述填充墻和框架梁的共同作用形成近似于墻梁的構(gòu)件，使得梁的剛度大大增加。如文獻(xiàn)中教學(xué)樓局部縱向框架二樓的窗下墻與框架梁共同作用（圖8），使得梁的剛度遠(yuǎn)大于柱的剛度，從而使原設(shè)計(jì)的強(qiáng)柱弱梁（梁鉸機(jī)構(gòu)）體系變位強(qiáng)梁弱柱（柱鉸機(jī)構(gòu)）體系。文獻(xiàn)在進(jìn)行完框架梁與上部墻體的墻梁的抗震試驗(yàn)后，在理論分析中認(rèn)為這種組合墻梁抗彎剛度遠(yuǎn)大于底層可框架柱，可以將其視為抗彎剛度無限大的剛梁?？梢姮F(xiàn)澆樓板與填充墻都嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“強(qiáng)柱弱梁”。框架柱在側(cè)向力作用下剪力均布、彎矩兩端最大，在柱端形成復(fù)雜受力狀態(tài)，而在柱頂不合理地留設(shè)施工縫也會(huì)對(duì)柱端形成塑性鉸帶來不利影響。剪切型破壞的框架結(jié)構(gòu)變形集中在底層，底層柱更容易失效。

在橫向地震下，考慮到跨度相差懸殊的兩跨框架，可以將外廊一側(cè)兩排較近的柱視做具有冗余度的柱系，橫向地震作用產(chǎn)生的傾覆力矩作用于框架將在兩排柱上產(chǎn)生往復(fù)的拉壓力，或者是直接豎向的地震力，外廊一側(cè)的冗余柱系能共同工作，離外廊較遠(yuǎn)的一排柱更為易損。

可見，框架結(jié)構(gòu)柱特別是底層柱是結(jié)構(gòu)的最易損構(gòu)件，在縱向地震作用下離外廊較遠(yuǎn)的一排柱有更不利影響。

4.2 鋼筋混凝土框架房屋的關(guān)鍵構(gòu)件

以某框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓為例，在縱向地震作用下，某根框架柱失效，由于梁的懸鏈線效應(yīng)和板的張力效應(yīng)，相鄰的柱將承載更大的載荷，引起連續(xù)性倒塌（圖1），框架柱是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件。

為了說明在橫向方向上底層各個(gè)框架柱失效給結(jié)構(gòu)帶來的影響，本文取四層框架教學(xué)樓中取橫向一榀框架為研究對(duì)象，對(duì)底層三根框架柱依次抽除進(jìn)行分析?？蚣芙虒W(xué)樓模型外廊寬2m，教室寬7.5m，層高都取3.6m，柱距3m。假設(shè)框架柱都固支于地面。混凝土板厚100mm，樓面活載標(biāo)準(zhǔn)值為2kN/m²。柱截面為400x400，配筋為8φ20，梁截面為250x500。分析后得彎矩圖（圖7）。

由于框架底層在地震作用下最容易失效，限于篇幅，本文將底層梁柱的內(nèi)力設(shè)計(jì)值列表如表1、表2（梁柱編號(hào)見圖6）。

可以得以下結(jié)論：

1）由圖10，去除A柱后，整個(gè)框架的內(nèi)力狀態(tài)不發(fā)生明顯改變；去除C柱后，右邊一跨形成大跨度懸臂構(gòu)件整個(gè)結(jié)構(gòu)大部分截面內(nèi)力增加數(shù)倍；去除B柱后由于支撐框架的兩柱跨度增大，截面彎矩增加，變化幅度介于兩者之間，但遠(yuǎn)小于抽除C柱的情況。

2）在去除C柱后，底層梁柱截面內(nèi)力遠(yuǎn)超承載能力。如B梁，左截面抗彎承載能力設(shè)計(jì)值為228.9kN·m，右截面為184.7kN·m，而其內(nèi)力設(shè)計(jì)值達(dá)到473.4kN·m和214.9kN·m。

3）去除C柱后，整個(gè)結(jié)構(gòu)的重力合力作用點(diǎn)在A柱B柱之外，分析結(jié)果為A柱一排的各層框架柱軸力為拉力，B柱一排的各層框架柱軸力為壓力。A柱軸拉力為1113.4kN，B柱軸壓力為2035.8kN，而原模型A柱軸壓力為122.3kN，B柱軸壓力為447kN。

4.3 關(guān)鍵構(gòu)件與易損構(gòu)件重合引起教學(xué)樓倒塌

框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓中柱尤其是底層柱是結(jié)構(gòu)的易損構(gòu)件同時(shí)又是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，在橫向地震作用下離外廊較遠(yuǎn)一側(cè)的柱更是有不利影響，關(guān)鍵構(gòu)件與易損構(gòu)件重合導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌。在縱向、橫向地震作用下的教學(xué)樓倒塌各有其特點(diǎn)，但重要原因就是教學(xué)樓中的關(guān)鍵構(gòu)件與易損構(gòu)件重合。

5 意見與建議

本文基于使關(guān)鍵構(gòu)件不與易損構(gòu)件重合的原則，提出兩種抗倒塌設(shè)計(jì)的解決方案：1）.增加關(guān)鍵構(gòu)件的強(qiáng)度富余，使關(guān)件構(gòu)件不是易損構(gòu)件，如增加框架柱截面、配筋面積、提高材料強(qiáng)度，使用短肢剪力墻或者使用在框架中使用斜撐等。其中設(shè)置鋼斜撐能使其先于混凝土框架耗能失效，使整個(gè)結(jié)構(gòu)具有多道防線。在日本，混凝土框架房屋采用鋼斜撐耗能抗震已有實(shí)際應(yīng)用；2）.加強(qiáng)易損構(gòu)件的冗余，使結(jié)構(gòu)易損構(gòu)件不是關(guān)鍵構(gòu)件，即易損構(gòu)件失效時(shí)，有替代的傳力路徑。比如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)樓，可以使用內(nèi)廊式教學(xué)樓，或者如圖8采用“雙外廊”避免內(nèi)廊式帶來的采光通風(fēng)問題。還可以使用如圖9布置的框架體系，具有較好的冗余度。

6 結(jié)語

本文通過分析以往鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)震害，指出在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵構(gòu)件與易損構(gòu)件的重合導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌，這也是大量鋼筋混凝土框架教學(xué)樓倒塌的重要原因之一。最后從關(guān)鍵構(gòu)件與易損構(gòu)件兩方面人手提出了意見與建議，以避免結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件與易損構(gòu)件的重合。