提高框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的策略研究

謝夢雪

(寧夏人防設(shè)計(jì)院，寧夏 銀川750001)

0 引言

從20 世紀(jì)60 年代以來，國內(nèi)外頻發(fā)的結(jié)構(gòu)倒塌事故給人類造成了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌已成為威脅社會(huì)公共安全的嚴(yán)重問題，結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)也己成為一個(gè)研究的重要課題。

1 控制偶然事件的發(fā)生

為了把偶然事件發(fā)生的概率降到最低，達(dá)到“防患于未然”的目標(biāo)，可在政府力量參與下加強(qiáng)國民的安全意識(shí)、增強(qiáng)社會(huì)的安保監(jiān)控系統(tǒng)，以防范恐怖組織的襲擊；同時(shí)要消除可能導(dǎo)致偶然事件發(fā)生的潛在因素，諸如采取如下措施：

（1）避免在一設(shè)施的正下方設(shè)置停車場。

（2）建筑物的選址遠(yuǎn)離爆炸源。 建筑應(yīng)遠(yuǎn)離生產(chǎn)、存放易燃易爆物質(zhì)的區(qū)域，同時(shí)嚴(yán)格規(guī)范燃?xì)獾氖褂煤鸵妆锲返拇娣拧?/p>

（3）建立安全隔離帶保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)免受機(jī)動(dòng)車輛的撞擊。 如設(shè)置綠化帶、樹木及保障性柵欄等，使車輛不能輕易抵達(dá)受保護(hù)的建筑物。

（4）抬高建筑結(jié)構(gòu)的底層樓面標(biāo)高。 以避免車輛撞擊和汽車炸彈襲擊等偶然事件發(fā)生時(shí)對(duì)建筑物的影響。

2 防止結(jié)構(gòu)發(fā)生局部構(gòu)件破壞

如果采取了各類防護(hù)措施仍然不能阻止偶然事件的發(fā)生時(shí)，防止建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的下一個(gè)重要步驟就是盡量避免因偶然荷載作用引發(fā)的可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的局部結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)生。 這一階段的主要任務(wù)是對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行合理的建筑規(guī)劃和平面布置，以維持結(jié)構(gòu)在偶然事件中的整體性。 一可以通過在建筑上適當(dāng)?shù)陌才艁斫档徒ㄖY(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的風(fēng)險(xiǎn)，主要措施有：

（1）合理有效的平面布置。 柱子和墻的合適平面布置是為獲得機(jī)構(gòu)整體性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。 建筑的平而布置應(yīng)簡單、規(guī)則，諸如“U”形和“L”形等不規(guī)則的平面布置，在偶然荷載作用下的耗能性較差。 因此，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌功能要求較高時(shí)， 應(yīng)盡量避免在建筑平面圖上出現(xiàn)凹角，因?yàn)檫@是爆炸壓力最可能集聚的部位。

（2）分隔成小開間的建筑物。 在不影響建筑功能要求的前提下，可以通過合理設(shè)置伸縮縫、抗震縫和沉降縫把建筑物劃分為若干個(gè)區(qū)，偶然事件發(fā)生時(shí)結(jié)構(gòu)就有能力把破壞限制在盡量少的區(qū)內(nèi)，以減小生命財(cái)產(chǎn)損失。

（3）避免建筑物在豎向作較大的變動(dòng)。 結(jié)構(gòu)整體應(yīng)避免出現(xiàn)柔弱層和薄弱層，保證結(jié)構(gòu)豎向剛度的連續(xù)。 若結(jié)構(gòu)體系中存在薄弱層，偶然事件的發(fā)生易導(dǎo)致該層上的某根主要受力構(gòu)件失效，結(jié)構(gòu)就可能遭受到毀滅性的倒塌破壞。 如建筑采用抽柱法在底層設(shè)置大空間，其上層就需要用跨度很大的轉(zhuǎn)換梁將荷載傳遞下來，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁兩側(cè)的柱遭受偶然荷載作用時(shí)，建筑物會(huì)因此發(fā)生連續(xù)倒塌。

（4）避免建筑物層高過大。 建筑物的層高是影響結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力又一主要因素，當(dāng)主梁或樓板因偶然荷載作用坍落時(shí)， 柱子因側(cè)向支承的一喪失導(dǎo)致計(jì)算一長度瞬時(shí)加大，其可能因整體失穩(wěn)造成一系列破壞。 參考國內(nèi)外規(guī)范規(guī)程，本文建議，除了在建筑上有特殊要求的結(jié)構(gòu)，其層高最好不超過4.8m。

（5）盡量減小柱距和梁的跨度。 采用連續(xù)板梁結(jié)構(gòu)，以提高梁的跨越能力。 參考國外相關(guān)文獻(xiàn)的一記錄及規(guī)范的規(guī)定，在合乎框架類結(jié)構(gòu)體系的建筑功能的前提下，本文建議，建筑結(jié)構(gòu)的柱距不宜大于9.0m。

（6）外包受力構(gòu)件。 應(yīng)避免在建筑物的外表設(shè)置諸如柱子之類的外露結(jié)構(gòu)構(gòu)件。 如必須設(shè)置，則應(yīng)用韌性較好的圍護(hù)材料包裹裸露的受力結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以降低其直接接觸偶然作用的可能性。

（7）合理設(shè)計(jì)建筑物突出構(gòu)件。 如雨篷、挑檐等，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行特殊針對(duì)性設(shè)置， 以防止偶然荷載作用時(shí)發(fā)生塌落，威肋、行人生命安全。

3 提高結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗連續(xù)倒塌能

3.1 提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌所應(yīng)該具備的性能

（1）超靜定性

結(jié)構(gòu)的超靜定性是相對(duì)于結(jié)構(gòu)靜定而言的，由于比設(shè)計(jì)需要的增加了多余的約束，從而使結(jié)構(gòu)在局部荷載超限的情況下， 也能使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力在各構(gòu)件內(nèi)進(jìn)行重分配，從而提高了結(jié)構(gòu)的整體承載力，無形中使結(jié)構(gòu)具備了抗力儲(chǔ)備。

作為抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的主流方法之一，改變傳力路徑法即是通過“刪除”某關(guān)鍵構(gòu)件后驗(yàn)算剩余結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的，此法意味著結(jié)構(gòu)需要存在多余約束以抵抗結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌，因此結(jié)構(gòu)的超靜定性是結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)必須考慮的主要因素。

為此，增加結(jié)構(gòu)的超靜定性不能簡單地從增強(qiáng)個(gè)別關(guān)鍵構(gòu)件的角度加以處理， 還應(yīng)從結(jié)構(gòu)的整體布局上綜合考慮：適當(dāng)增加豎向荷載承重構(gòu)件的數(shù)量，以使豎向荷載能夠分散到多個(gè)承重構(gòu)件上； 盡量減少轉(zhuǎn)換層和大開間結(jié)構(gòu)的使用，不可避免時(shí)，要對(duì)其跨越能力進(jìn)行詳細(xì)地結(jié)構(gòu)分析；多采用連續(xù)梁體系。 合理地增加多余約束可以使結(jié)構(gòu)在倒塌破壞前出現(xiàn)應(yīng)力屈曲狀態(tài)，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中，有效地控制了結(jié)構(gòu)破壞的范圍。

（2）堅(jiān)固性

結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性體現(xiàn)于從結(jié)構(gòu)構(gòu)件到結(jié)構(gòu)整體承受荷載的能力上，也是常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)承受一般荷載的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性能夠提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件所能承受的應(yīng)力水平，減少偶然荷載作用時(shí)結(jié)構(gòu)的倒塌破壞范圍，增強(qiáng)了局部構(gòu)件破壞后的剩余結(jié)構(gòu)的跨越能力，有效地降低了結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的可能性。

為提高結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，可采取如下4 種措施：①抗意外作用。 應(yīng)用結(jié)構(gòu)的承載力和構(gòu)件與連接的堅(jiān)固性、延性及多道獨(dú)立的傳力途徑。②避免極端作用。采用一個(gè)弱構(gòu)件，利用“釋放”或“保險(xiǎn)絲”作用來減輕峰值意外荷載作用，限制結(jié)構(gòu)的破壞，降低對(duì)生命的威肋。③對(duì)意外作用的防護(hù)。當(dāng)不能預(yù)見偶然事件的發(fā)生時(shí)，可采用“防”的手段降低易損性。 ④對(duì)結(jié)構(gòu)（或局部構(gòu)件）必要的犧牲。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就考慮結(jié)構(gòu)局部或整體構(gòu)件失效，從而降低危機(jī)發(fā)生的后果。

（3）延性

一般情況下， 結(jié)構(gòu)超過極限狀態(tài)的反應(yīng)有兩種可能，延性破壞和脆性破壞， 其中脆性意味著結(jié)構(gòu)立刻失去承載力，而延性的表現(xiàn)為：當(dāng)結(jié)構(gòu)喪失承載能力之前，其會(huì)呈現(xiàn)出較大的非彈性變形，從而提供結(jié)構(gòu)失效的警報(bào)。

（4）連續(xù)性

與常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)提高了對(duì)安全等級(jí)的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性要求也隨之提高。 保證結(jié)構(gòu)的整體性，除了保證結(jié)構(gòu)有超靜定性和堅(jiān)固性外，結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的連續(xù)性顯得尤為重要。 由于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌考慮到承重構(gòu)件失效的情況，對(duì)考慮失效承重構(gòu)件上的梁與梁的連接處要求有更好的連續(xù)性。

3.2 采取的措施

通過工程案例分析，結(jié)合上述介紹，為提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力，結(jié)構(gòu)自身應(yīng)具備“四性”，通?？刹扇∫韵麓胧┘右越鉀Q：

（1）采用超靜定結(jié)構(gòu)體系；

（2）延性功能的細(xì)部設(shè)計(jì)；

（3）整體束縛的方法；

（4）連續(xù)的轉(zhuǎn)延側(cè)墻；

（5）板在正交方向的附加支撐；

（6）橫向承重墻；

（7）樓板的懸鏈作用；

（8）墻的深梁作用；

（9）梁的懸鏈作用。

4 結(jié)束語

總之，防止結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌應(yīng)該從最初的建筑設(shè)計(jì)就開始加以考慮，充分考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)各個(gè)階段可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力降低的各種因素。 防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的措施要從多方面加以考慮。

［1］梁益，陸新征，李易，等.3 層RC 框架的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007（06）.

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