淺談RC結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法

趙 軍 王立波

（安陽(yáng)工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000）

淺談RC結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法

趙 軍 王立波

（安陽(yáng)工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000）

本文從概念設(shè)計(jì)與定量設(shè)計(jì)兩方面對(duì)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要探討，以期對(duì)業(yè)內(nèi)提供一些參考。

概念設(shè)計(jì)；定量設(shè)計(jì)；連續(xù)倒塌

0 引言

結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是由于意外荷載(如地震、爆炸、火災(zāi)等)作用下造成結(jié)構(gòu)的局部破壞，并因此引發(fā)結(jié)構(gòu)連鎖反應(yīng)而導(dǎo)致破壞向結(jié)構(gòu)的其它部分?jǐn)U散，最終使結(jié)構(gòu)主體喪失承載力，造成結(jié)構(gòu)的大范圍坍塌。國(guó)內(nèi)外多起連續(xù)倒塌的事故告訴我們，對(duì)于RC結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，一旦發(fā)生連續(xù)倒塌必將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，因而連續(xù)倒塌日益受到設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。

但對(duì)于抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)還是有不少困難的，目前我國(guó)還沒(méi)有關(guān)于抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的專門規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，只是在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中介紹了設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則也說(shuō)明了這一點(diǎn)。目前最大的困難是不確定性，尤其對(duì)于煤氣爆炸、汽車撞擊、火災(zāi)、炸彈這些由人類失誤或故意破壞造成的不確定因素。目前來(lái)看，在RC結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)周期內(nèi)這些由人類引起的破壞發(fā)生的概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地震等自然災(zāi)害，但我們依然預(yù)測(cè)不了事件何時(shí)發(fā)生，怎么發(fā)生，后果是什么？也取得不了設(shè)計(jì)所需要的參數(shù)，如果不考慮，僅僅按常規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)也越來(lái)越被說(shuō)明是風(fēng)險(xiǎn)很大的，并且會(huì)越來(lái)越大，因此我們還是要采取以下的一些措施進(jìn)行防范。

1 概念設(shè)計(jì)

我國(guó)規(guī)范和規(guī)程中均強(qiáng)調(diào)了對(duì)RC結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌概念設(shè)計(jì)的重要性。歷次的地震中也證明，結(jié)構(gòu)體系勻稱、傳力途徑可靠、抗力剛?cè)嵯酀?jì)、整體連接可靠的RC結(jié)構(gòu)由于本身具有較好的整體性與延性，在偶然荷載作用下具備了一定抵抗連續(xù)倒塌的能力。在此基礎(chǔ)上增加一些針對(duì)其它意外荷載的的概念性設(shè)計(jì)，必將在不增加過(guò)多成本的基礎(chǔ)上取得良好的效果。

1.1 減小偶然作用

歷次連續(xù)倒塌事故無(wú)不表明偶然作用是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的一個(gè)主要原因，因此我們需要采取有效的措施控制偶然事件的發(fā)生或減少偶然作用的效應(yīng)。我們可以在建筑物四周設(shè)置隔離帶或防撞設(shè)施避免車輛對(duì)它的撞擊；可以限制天然氣等在重要建筑中的使用避免爆炸的隱患；可以利用“宣泄原理”來(lái)減少偶然作用的不利效應(yīng)。例如：在行洪區(qū)建造底層只有混凝土柱沒(méi)有墻的樓房；利用坡屋頂清除積雪等。

1.2 保護(hù)關(guān)鍵部位

對(duì)于類似于結(jié)構(gòu)的底層柱和一些邊角部位這些容易受到破壞而且破壞后容易引起連續(xù)倒塌的關(guān)鍵部位，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取措施給予加強(qiáng)和保護(hù)。通過(guò)加強(qiáng)RC結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵傳力部位，增強(qiáng)其安全儲(chǔ)備和延性，甚至于可以考慮按偶然荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種局部增強(qiáng)可能導(dǎo)致發(fā)生連續(xù)倒塌的關(guān)鍵傳力構(gòu)件的方法具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，增加的建筑成本不多但對(duì)整體RC結(jié)構(gòu)的安全性能具有重大意義。

1.3 增加冗余約束

RC結(jié)構(gòu)如具有良好的冗余特性，則在出現(xiàn)局部破壞的情況下可以避免破壞擴(kuò)展，從而避免連續(xù)倒塌事故的發(fā)生。沒(méi)有冗余約束的靜定結(jié)構(gòu)最易發(fā)生連續(xù)倒塌，而超靜定結(jié)構(gòu)在發(fā)生局部破壞時(shí)由于具有冗余約束，可以形成新的傳力途徑從而避免發(fā)生連續(xù)倒塌。

在各種內(nèi)力交匯的關(guān)鍵受力部位處及重要構(gòu)件處，設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)設(shè)置斜撐、拉桿等備用的傳力途徑，有目的增加冗余約束是可以避免連續(xù)倒塌的發(fā)生的。

1.4 加強(qiáng)變形能力與延性能力

RC結(jié)構(gòu)如果具有良好的變形能力和延性能力，則就具備良好的消耗能量的能力，從而避免結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。

偶然作用的時(shí)間一般極短，而作用力很大，結(jié)構(gòu)某些區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大的位移，在這些區(qū)域應(yīng)進(jìn)行延性設(shè)計(jì)，增加其的變形能力從而消耗掉作用產(chǎn)生的能量。為讓RC結(jié)構(gòu)具有較好的延性應(yīng)避免使用冷加工鋼筋等脆性材料，多采用熱軋鋼材等延性材料，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制好結(jié)構(gòu)體型和剛度、落實(shí)好強(qiáng)柱弱梁、采用圍箍-約束混凝土的措施，以此來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的能力。

1.5 連續(xù)配筋、加強(qiáng)錨固

發(fā)生局部破壞時(shí)，為避免因構(gòu)件破壞造成結(jié)構(gòu)解體，應(yīng)在結(jié)構(gòu)體系中配置較多的貫通受力筋，并進(jìn)行可靠的連接和錨固，以形成各種形式的拉結(jié)作用。

1.6 劃分功能區(qū)

在設(shè)置抗震縫、沉降縫、伸縮縫時(shí)要考慮抗連續(xù)倒塌，通過(guò)合理設(shè)縫將RC結(jié)構(gòu)劃分為若干個(gè)獨(dú)立的功能分區(qū)，某個(gè)區(qū)即使發(fā)生倒塌也可將其控制在一定范圍內(nèi)而避免發(fā)生連續(xù)倒塌。

2定量設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)雖然在規(guī)范中進(jìn)行了重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，但是難以量化，更多的依賴于設(shè)計(jì)人員的水平和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于重要的建筑我們還應(yīng)進(jìn)行必要的定量設(shè)計(jì)，RC結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的定量設(shè)計(jì)目前是各國(guó)專家正在積極探索的一個(gè)課題，目前也取得了一些成果。在我國(guó)工程界常用的有以下三種方法。

2.1 拉結(jié)構(gòu)件法

拉結(jié)構(gòu)件法主要是對(duì)RC結(jié)構(gòu)中構(gòu)件之間的聯(lián)接進(jìn)行驗(yàn)算，以保證結(jié)構(gòu)整體和備用荷載傳遞路徑能滿足要求。從以往的一些破壞現(xiàn)場(chǎng)中我們可以看到到一些RC結(jié)構(gòu)中的墻或柱被摧毀后，RC結(jié)構(gòu)靠著水平構(gòu)件中貫通受力筋的拉結(jié)作用，而沒(méi)有發(fā)生連續(xù)倒塌。因此我們可以按豎向構(gòu)件失效后形成的新的計(jì)算簡(jiǎn)圖就行計(jì)算，通過(guò)對(duì)聯(lián)接強(qiáng)度的有效保證來(lái)避免連續(xù)倒塌的發(fā)生。根據(jù)受破壞后形成區(qū)域不同，往往能夠形成梁—拉結(jié)模型、懸索—拉結(jié)模型、懸臂—拉結(jié)模型等繼續(xù)承受荷載，避免連續(xù)倒塌。拉結(jié)構(gòu)件法計(jì)算雖然較為簡(jiǎn)便，但模型對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，采用此法時(shí)應(yīng)正確選取模型。

2.2 拆除構(gòu)件法

拆除構(gòu)件法可以認(rèn)為是拉結(jié)構(gòu)件法的一種延伸。拆除構(gòu)件法是將部分受力構(gòu)件按照一定的順序拆除后，利用有限元對(duì)剩余的RC結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析來(lái)判斷是否會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌。如果發(fā)生連續(xù)倒塌則對(duì)剩余構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)來(lái)保證通過(guò)內(nèi)力重分布后不發(fā)生連續(xù)倒塌。拆除構(gòu)件法需要對(duì)RC結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次的計(jì)算與分析，因此精度較高。在拆除構(gòu)件法中，非線性動(dòng)力拆除構(gòu)件法最復(fù)雜但計(jì)算最為準(zhǔn)確，常應(yīng)用與復(fù)雜結(jié)構(gòu)或高安全等級(jí)建筑。

2.3 局部加強(qiáng)法

對(duì)于部分構(gòu)件一旦破壞后整體RC結(jié)構(gòu)極其容易發(fā)生連續(xù)倒塌的，我們稱之為關(guān)鍵構(gòu)件。對(duì)于此類關(guān)鍵構(gòu)件如果我們不能通過(guò)結(jié)構(gòu)布置的調(diào)整或者拆除構(gòu)件法的增強(qiáng)來(lái)避免連續(xù)倒塌的發(fā)生，我們就應(yīng)該對(duì)此類關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)。

3結(jié)論

抗連續(xù)倒塌是一個(gè)綜合性的問(wèn)題，除了以上提到的方法還有很多，例如選址應(yīng)規(guī)避不利地帶，增加耗能支撐，設(shè)置一些避難的地方等等。本文僅僅從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范疇進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，對(duì)于RC結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌問(wèn)題，我們也沒(méi)有必要對(duì)每一個(gè)結(jié)構(gòu)都進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和定量設(shè)計(jì)，我們還是應(yīng)該按照建筑物的重要性進(jìn)行安全分級(jí)，根據(jù)不同的安全等級(jí)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。

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1007-6344（2015）06-0073-01

趙軍（1980--）男 河南安陽(yáng) 講師 碩士 主要研究結(jié)構(gòu)工程，Tel：13703727849 Email：13703727849@163.com