淺議建筑工程中混凝土框架結構的抗震性設計方案

金忠堂　陳小俊

摘要 ：對墳川地震災區(qū)各類房屋建筑震害的調查發(fā)現(xiàn)：在高烈度區(qū)，理論上抗震性能較好的鋼筋混凝土結構發(fā)生倒塌，而抗震性能相對較差的砌體結構卻“裂而不倒”；抗震設計要求鋼筋混凝土結構的“梁鉸機制”沒有出現(xiàn)，而是出現(xiàn)了大量的“柱鉸”；高層建筑剪力墻結構連梁發(fā)生了不同的破壞形態(tài)；抗震縫設置帶來的問題等。諸如此類現(xiàn)象，值得人們深思。

關鍵詞 ：混凝土框架結構 連續(xù)性倒塌設計 具體方法

墳川地震是新中國成立以來最為強烈的一次地震。在此次地震中，鋼筋混凝土框架結構的主要震害現(xiàn)象有：圍護結構和填充墻嚴重開裂和破壞；填充墻設置不合理（或錯層）造成短柱剪切破壞；柱剪切破壞，梁柱節(jié)點區(qū)破壞；填充墻設置不合理造成結構實際層剛度不均勻，導致底部樓層側移過大，并導致倒塌，或導致結構實際剛度偏心使結構產(chǎn)生扭轉地震響應；柱端出現(xiàn)塑性鉸，未實現(xiàn)“強柱弱梁”屈服機制。部分地區(qū)如墳川縣，房屋倒塌較少，傷亡人數(shù)較少，但據(jù)統(tǒng)計顯示，該地區(qū)房屋破壞程度較嚴重，超過中等破壞的房屋棟數(shù)占總鑒定房屋棟數(shù)的91.57%。混凝土框架結構的連續(xù)性倒塌設計是建筑設計中非常重要的部分，很多建筑出現(xiàn)坍塌事故都是與混凝土框架構件出現(xiàn)問題造成的，本文從混凝土框架結構的連續(xù)性倒塌設計現(xiàn)狀以及構件與易損構件進行分析，同時說明設計方法。

1.目前我國建筑施工項目中的混凝土框架結構特點

1.1 我國建筑施工項目中的荷載與作用

根據(jù)荷載與作用隨時間的變異性，我國建筑結構設計標準將荷載與作用分為：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)行結構設計方法，通?？梢员ＷC所設計的結構具有足夠的安 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，這就 給結構設計帶來很大的困難。鑒于偶然荷載與作用的不可估計性和其作用特征的 復雜性，以及結構設計經(jīng)濟性的考慮，通常一般結構設計時對偶然荷載與作用都 不進行計算設計。但一旦出現(xiàn)偶然荷載與作用，則往往因其量值過大而導致直接 遭受偶然荷載與作用部位的結構構件破壞。 因此，針對偶然荷載與作用，結構應能滿足以下要求： 容許結構局部發(fā)生嚴重破壞和失效，未破壞的剩余結構能有效承 受因局部破壞后發(fā)生的荷載和內力重分布， 不至于短時間內造成結構的破壞范圍 迅速擴散而導致大范圍、甚至整個結構的坍塌。

1.2 結構連續(xù)性倒塌的事故原因分析

結構的連續(xù)倒塌是指由于偶然意外荷載和作用造成結構的局部破壞， 并導致結構產(chǎn)生非穩(wěn)定的連續(xù)性破壞發(fā)展。 結構一旦發(fā)生連續(xù)倒塌， 會造成很嚴重的生命財產(chǎn)損失，并產(chǎn)生重大社會影響，因而日益受到公眾的關注和研究者的重視。自 1968 年英國 Ronan Point 的 18 層裝配式大板結構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)范中均有關于改善結構抗連續(xù)倒塌能力的具體規(guī)定。在我國，結構連續(xù)性倒塌事故也時有發(fā)生， 1990 年遼寧盤錦發(fā)生由于燃氣爆炸導致主體結構倒塌的事故， 2007 年山西大同發(fā)生一起同樣是由于燃氣爆炸導致的某居民樓部分坍塌事件。但我國在結構抗連續(xù)倒塌的研究和實踐上，已有成果還比較有限。我國《混凝土結構設計規(guī)范 GB50010-2002》僅規(guī)定：結構應具有整體穩(wěn)定性，結構的局部破壞不應導致大范圍倒塌。規(guī)范說明中只對該條款作了簡單的概念性補充，沒有提出的具體設計方法和準則，缺乏可操作性。

2.混凝土框架結構中的構件設計

關鍵構件是結構中一旦失效就會引起不相稱破壞的構件。關鍵構件處在傳力路徑上的關鍵環(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。關鍵性構件的辨別可以通過商用結構計算軟件，依次抽除構件后，經(jīng)計算分析結構損傷程度來進行，對簡單的結構也可根據(jù)經(jīng)驗來判斷。易損構件是在所有可預期地震載荷作用下結構中最先開始破壞并失去承載力的構件。對結構用商用計算軟件計算分析即可得到結構的易損構件。而假使結構中某個關鍵構件同時又是結構的易損構件，那么在地震載荷下，此構件極易破壞失效，引起不相稱破壞的連續(xù)性倒塌。可表示成如下式子： 關鍵構件 = 易損構件 = 結構倒塌

3.混凝土框架結構中的抗連續(xù)性倒塌設計

就大多數(shù)結構體系而言，有效阻止結構連續(xù)性倒塌的方法是將結構劃分為多個子結構，當其中某一個子結構遭受偶然荷載作用而出現(xiàn)局部被破壞時，倒塌只會在這個較小的范圍內擴展，并不會對整體結構造成影響。這樣一來便能夠避免結構整體發(fā)生破壞，此種設計方法現(xiàn)已被廣泛應用于多層混凝土框架結構設計當中，具體是通過設置伸縮縫、抗震縫以及沉降縫等方法把整體結構分為多個子結構。對這些被劃分的子結構進行合理設計是確保它們獲得整體性的一個重要因素，提高結構抗連續(xù)性倒塌能力的關鍵就在于確保結構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)域當中，這就要求結構體系應當具備足夠的連續(xù)性、冗余度以及各個構件間的可靠連接。通常情況下，偶然荷載作用是無法準確量化的，所以應當通過相應的構造措施或是對結構局部進行強化設計來進一步增強結構整體的抗連續(xù)性倒塌能力。

3.1 超靜定結構設計

對于混凝土框架結構而言，采用超靜定結構體系能夠顯著提高結構抗連續(xù)性倒塌能力。當結構在偶然荷載作用下出現(xiàn)局部構件被破壞時，超靜定結構體系能夠提供二級荷載路徑，這樣一來即便重要支承構件失效，主要結構仍然能夠在一定時間內保持結構整體的穩(wěn)定性。同時，采用超靜定體系的混凝土框架結構中，塑性鉸可以在構件的多個部位形成，這無形中增強了結構局部破壞時備用荷載路徑形成的幾率，從而使結構本身的抗連續(xù)性倒塌能力進一步提高。

3.2 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構連續(xù)性倒塌的情況進行分析發(fā)現(xiàn)，當結構在遭受偶然荷載作用時，導致局部構件受損的主要原因是構件承受的作用力超出其自身的承載極限，這樣一來便會使構件進入塑性狀態(tài)。為此，在實際設計中，應當選擇一些延性較好的材料用于各個單元或是節(jié)點之間的連接，以此來提高結構的塑性變形能力。此外，延性好的材料還能夠有效防止結構發(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。

3.3 拉結強度設計

拉結強度設計具體是指通過對構件之間連接強度的計算，使之符合相關的強度要求，以此來確保結構的整體性以及備用荷載傳遞路徑的承載能力。在混凝土框架結構中，對水平構件拉結強度的設計可看做是一種近似于拆除構件的設計方法，簡單來講，就是將假定拆除豎向構件后，跨越它的水平構件簡化為懸鏈線和梁機構，并計算出構件間貫通鋼筋的最小強度。由于梁機構的內軸力較小，所以梁支座并不需要提供水平方向的約束，這樣結構角部位處的框架梁就只能夠以梁機構提供抗連續(xù)倒塌承載力。采用拉結強度設計不需要對混凝土框架結構進行受力分析，該設計方法簡單易行。需要注意的是，在具體應用中，應當充分考慮風荷載對結構的影響，這樣能夠進一步提高設計質量。

綜上所述， 混凝土框架結構穩(wěn)定性不夠是建筑出現(xiàn)坍塌事故的重要原因之一，因此設計人員應當重視混凝土框架結構連續(xù)性倒塌設計，加強建筑物的倒塌抗性能，不斷優(yōu)化建筑項目施工中的混凝土框架結構連續(xù)性倒塌設計方案，提高建筑物施工質量，為居民的生活安全提供保證。

參考文獻：

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