混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌設(shè)計方法

邵寧棣

摘 要：混凝土框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌設(shè)計是建筑設(shè)計中非常重要的部分，很多建筑出現(xiàn)坍塌事故都是混凝土框架構(gòu)件出現(xiàn)問題造成的，本文從混凝土框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌設(shè)計現(xiàn)狀以及構(gòu)件與易損構(gòu)件進(jìn)行分析，同時說明設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：混凝土框架結(jié)構(gòu)；連續(xù)性倒塌設(shè)計；具體方法

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，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?？沟顾O(shè)計對于保護(hù)人民的生命安全有重要意義，抗倒塌設(shè)計已經(jīng)納入了新版《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》。

一、混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌設(shè)計現(xiàn)狀

（一）根據(jù)荷載與作用隨時間的變異性，我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)將荷載與作用分為： 永久荷載與作用、可變荷載與作用、偶然荷載與作用。其中，永久荷載與作用和可變荷載與作用的量值、作用位置和作用特性都是可以估計的，且估計值具有一定保證率，據(jù)此按現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，通?？梢员ＷC所設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有足夠的安全度，也即失效概率足夠小。然而，偶然荷載與作用屬于極小概率事件，其量值、作用位置和作用特性都無法估計，并且具有量值很大、作用時間很短的特點(diǎn)，這就給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來很大的困難。鑒于偶然荷載與作用的不可估計性和其作用特征的復(fù)雜性，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟(jì)性的考慮，通常一般結(jié)構(gòu)設(shè)計時對偶然荷載與作用都不進(jìn)行計算設(shè)計。但一旦出現(xiàn)偶然荷載與作用，則往往因其量值過大而導(dǎo)致直接遭受偶然荷載與作用部位的結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞。 因此，針對偶然荷載與作用， 結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足以下要求： 容許結(jié)構(gòu)局部發(fā)生嚴(yán)重破壞和失效， 未破壞的剩余結(jié)構(gòu)能有效承受因局部破壞后發(fā)生的荷載和內(nèi)力重分布， 不至于短時間內(nèi)造成結(jié)構(gòu)的破壞范圍迅速擴(kuò)散而導(dǎo)致大范圍、甚至整個結(jié)構(gòu)的坍塌。

（二）結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是指由于偶然意外荷載和作用造成結(jié)構(gòu)的局部破壞， 并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非穩(wěn)定的連續(xù)性破壞發(fā)展。 結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生連續(xù)倒塌， 會造成很嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失，并產(chǎn)生重大社會影響，因而日益受到公眾的關(guān)注和研究者的重視。自 1968 年英國 Ronan Point 的 18 層裝配式大板結(jié)構(gòu)公寓因煤氣爆炸造成連續(xù)倒塌事件發(fā)生以來，國外對該問題已經(jīng)進(jìn)行了多年的研究，其間經(jīng)歷了1995 年美國 Alfred P Murrah 聯(lián)邦政府辦公樓和 2001 年世貿(mào)雙塔等多起重大連續(xù)性倒塌事件。目前，國外一些規(guī)范中均有關(guān)于改善結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的具體規(guī)定。在我國，結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌事故也時有發(fā)生， 1990 年遼寧盤錦發(fā)生由于燃?xì)獗▽?dǎo)致主體結(jié)構(gòu)倒塌的事故， 2007 年山西大同發(fā)生一起同樣是由于燃?xì)獗▽?dǎo)致的某居民樓部分坍塌事件。但我國在結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的研究和實踐上，已有成果還比較有限。我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB50010-2002》僅規(guī)定：結(jié)構(gòu)應(yīng)具有整體穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)的局部破壞不應(yīng)導(dǎo)致大范圍倒塌。規(guī)范說明中只對該條款作了簡單的概念性補(bǔ)充，沒有提出的具體設(shè)計方法和準(zhǔn)則，缺乏可操作性。

二、關(guān)鍵構(gòu)件與易損構(gòu)件

（一）關(guān)鍵構(gòu)件是結(jié)構(gòu)中一旦失效就會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)計算軟件，依次抽除構(gòu)件后，經(jīng)計算分析結(jié)構(gòu)損傷程度來進(jìn)行，對簡單的結(jié)構(gòu)也可根據(jù)經(jīng)驗來判斷。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。對結(jié)構(gòu)用商用計算軟件計算分析即可得到結(jié)構(gòu)的易損構(gòu)件。而假使結(jié)構(gòu)中某個關(guān)鍵構(gòu)件同時又是結(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

三、混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的設(shè)計方法

就大多數(shù)結(jié)構(gòu)體系而言，有效阻止結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的方法是將結(jié)構(gòu)劃分為多個子結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中某一個子結(jié)構(gòu)遭受偶然荷載作用而出現(xiàn)局部被破話時，倒塌只會在這個較小的范圍內(nèi)擴(kuò)展，并不會對整體結(jié)構(gòu)造成影響。這樣一來便能夠避免結(jié)構(gòu)整體發(fā)生破壞，此種設(shè)計方法現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于多層混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，具體是通過設(shè)置伸縮縫、抗震縫以及沉降縫等方法把整體結(jié)構(gòu)分為多個子結(jié)構(gòu)。對這些被劃分的子結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計是確保它們獲得整體性的一個重要因素，提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌能力的關(guān)鍵就在于確保結(jié)構(gòu)體系可以將原本出現(xiàn)在局部破壞區(qū)域上的所有荷載都傳遞到與之鄰近的區(qū)域當(dāng)中，這就要求結(jié)構(gòu)體系應(yīng)當(dāng)具備足夠的連續(xù)性、冗余度以及各個構(gòu)件間的可靠連接。通常情況下，偶然荷載作用是無法準(zhǔn)確量化的，所以應(yīng)當(dāng)通過相應(yīng)的構(gòu)造措施或是對結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計來進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的抗連續(xù)性倒塌能力。

（一）超靜定結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，采用超靜定結(jié)構(gòu)體系能夠顯著提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌能力。當(dāng)結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下出現(xiàn)局部構(gòu)件被破壞時，超靜定結(jié)構(gòu)體系能夠提供二級荷載路徑，這樣一來即便重要支承構(gòu)件失效，主要結(jié)構(gòu)仍然能夠在一定時間內(nèi)保持結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。同時，采用超靜定體系的混凝土框架結(jié)構(gòu)中，塑性鉸可以在構(gòu)件的多個部位形成，這無形中增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)局部破壞時備用荷載路徑形成的幾率，從而使結(jié)構(gòu)本身的抗連續(xù)性倒塌能力進(jìn)一步提高。

（二）選用延性好的材料

通過對偶然荷載作用下的局部破壞但并未引起整個結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)在遭受偶然荷載作用時，導(dǎo)致局部構(gòu)件受損的主要原因是構(gòu)件承受的作用力超出其自身的承載極限，這樣一來便會使構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)。為此，在實際設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)選擇一些延性較好的材料用于各個單元或是節(jié)點(diǎn)之間的連接，以此來提高結(jié)構(gòu)的塑性變形能力。此外，延性好的材料還能夠有效防止結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，從而能夠為人員的逃生和救援工作爭取一定的時間。

（三）拉結(jié)強(qiáng)度設(shè)計

拉結(jié)強(qiáng)度設(shè)計具體是指通過對構(gòu)件之間連接強(qiáng)度的計算，使之符合相關(guān)的強(qiáng)度要求，以此來確保結(jié)構(gòu)的整體性以及備用荷載傳遞路徑的承載能力。在混凝土框架結(jié)構(gòu)中，對水平構(gòu)件拉結(jié)強(qiáng)度的設(shè)計可看做是一種近似于拆除構(gòu)件的設(shè)計方法，簡單來講，就是將假定拆除豎向構(gòu)件后，跨越它的水平構(gòu)件簡化為懸鏈線和梁機(jī)構(gòu)，并計算出構(gòu)件間貫通鋼筋的最小強(qiáng)度。由于梁機(jī)構(gòu)的內(nèi)軸力較小，所以梁支座并不需要提供水平方向的約束，這樣結(jié)構(gòu)角部位處的框架梁就只能夠以梁機(jī)構(gòu)提供抗連續(xù)倒塌承載力。采用拉結(jié)強(qiáng)度設(shè)計不需要對混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，該設(shè)計方法簡單易行。需要注意的是，在具體應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)充分考慮風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響，這樣能夠進(jìn)一步提高設(shè)計質(zhì)量。

四、結(jié) 語

混凝土框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，還是因為建筑出現(xiàn)坍塌事故的主要原因就是因為混凝土框架結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌設(shè)計中存在問題造成的，房屋的倒塌抗性對于房屋建筑質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，在實際工程要要對混凝土框架結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌設(shè)計投入大量的精力去重視，確保結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定，提升建筑質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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