框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)方法與防范措施

楊益 李榮軼 寧翠萍

摘 要：本文深入探討了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌破壞的作用機(jī)理，對(duì)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的基本要求做了系統(tǒng)歸納，并對(duì)比研究了常用的4種結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的分析方法，通過(guò)軟件建模驗(yàn)證這些方法的可靠性。最后結(jié)合工程實(shí)踐，提出框架結(jié)構(gòu)防止連續(xù)倒塌的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；連續(xù)倒塌；拆除構(gòu)件法；防范措施

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一批安全等級(jí)較高的重點(diǎn)建筑，它們對(duì)抗震性、耐久性和可靠性都提出了更高的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)除了常規(guī)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)外，還應(yīng)增加房屋結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)計(jì)算。我國(guó)這方面的研究起步較晚，在現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，只給出了結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的基本原則，沒(méi)有明確詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟、方法、流程及設(shè)計(jì)參數(shù)等。因此，需要更深入研究分析結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌問(wèn)題，這里通過(guò)分析最為常見(jiàn)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議，有重要的研究?jī)r(jià)值。

1 國(guó)內(nèi)外連續(xù)倒塌事件頻發(fā)

1968年英國(guó)公寓“Ronan Point[2]”發(fā)生了一起爆炸事故，當(dāng)時(shí)因一位居住在18樓住戶的不慎引發(fā)了煤氣爆炸，致使廚房拐角的一側(cè)混凝土預(yù)制承重墻被炸碎，并從原位置解體脫落。這個(gè)豎向承重構(gòu)件的失效導(dǎo)致該位置的樓板和墻體沿著整個(gè)建筑物側(cè)面發(fā)生連續(xù)性倒塌墜落。

2003年，一幢位于湖南衡陽(yáng)的商業(yè)大廈發(fā)生特大火災(zāi)。大廈周圍有5根混凝土柱子在3個(gè)多小時(shí)的大火持續(xù)燃燒后喪失承載力，導(dǎo)致樓體突然發(fā)生連續(xù)倒塌，將正在救火的多名消防人員掩埋，倒塌面積約為3000平方米。隨著此類事件的連續(xù)發(fā)生，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌問(wèn)題，后來(lái)便開(kāi)展了對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌機(jī)理及其設(shè)計(jì)方法的研究工作。

2 連續(xù)倒塌的內(nèi)涵及破壞機(jī)理

2.1內(nèi)涵

美國(guó)土木工程協(xié)會(huì)對(duì)連續(xù)倒塌的定義是：“在連續(xù)構(gòu)件體中由初期的局部破壞所牽連的漸進(jìn)式蔓延并最終導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)引起不對(duì)稱的大面積倒塌”。結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是偶然荷載引起的，并導(dǎo)致連鎖反應(yīng)向結(jié)構(gòu)的周圍部分?jǐn)U散，結(jié)果造成結(jié)構(gòu)主體大范圍的坍塌。一般認(rèn)為，如果結(jié)構(gòu)的最后破壞形態(tài)和原始破壞不成比例，就可以稱為“連續(xù)倒塌”。

2.2 破壞機(jī)理

連續(xù)倒塌破壞是一個(gè)結(jié)構(gòu)體發(fā)生非線性動(dòng)力變化的發(fā)展過(guò)程，荷載作用往往瞬間發(fā)生，引起結(jié)構(gòu)非線性變形，并導(dǎo)致連續(xù)結(jié)果發(fā)生彎曲變形，當(dāng)變形超過(guò)承受范圍后構(gòu)件便會(huì)失效，失效后，結(jié)構(gòu)再也不可能恢復(fù)到初始的平衡狀態(tài)。從彈塑性理論分析可知，結(jié)構(gòu)塑性鉸是可逆的，然而發(fā)生彎曲破壞后的截面形成機(jī)械鉸，而結(jié)構(gòu)的機(jī)械鉸是不可逆的過(guò)程，不能恢復(fù)彎曲承載力，與結(jié)構(gòu)實(shí)際倒塌過(guò)程是相符合的。所以，建筑結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)理可理解為：如果足夠多的機(jī)械鉸出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)體系中，形成了不可恢復(fù)的可變機(jī)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌。

引起結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的原因是多種多樣的，例如不可預(yù)見(jiàn)的偶然荷載作用：火災(zāi)、車輛撞擊、煤氣爆炸、炸彈襲擊以及設(shè)計(jì)與施工中的人為失誤等。近幾年，海嘯、地震等自然災(zāi)害偶爾發(fā)生，恐怖分子的襲擊頻繁出現(xiàn)，這些偶然事件的發(fā)生概率相比過(guò)去是增大了，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的幾率也就增大了。

3 框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)方法

3.1 概念設(shè)計(jì)

胡慶昌[3]等人提出：在結(jié)構(gòu)隔震減震設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮地震荷載和風(fēng)荷載的影響，使得結(jié)構(gòu)具備良好的延性與整體性，則能夠在一定程度上抵御連續(xù)倒塌事故。所以，在設(shè)計(jì)采時(shí)用一些概念性的設(shè)計(jì)措施可以有效提高抗震性，保證結(jié)構(gòu)安全。具體措施如下：結(jié)構(gòu)選型對(duì)稱、布置合理，盡量避免產(chǎn)生薄弱部位；提高構(gòu)造連接的整體性和連續(xù)性；設(shè)置多道荷載傳遞路徑以增大結(jié)構(gòu)冗余度；積極提倡使用延性能力優(yōu)良的建筑材料，保證延性構(gòu)造措施到位；應(yīng)考慮反向荷載對(duì)減弱振動(dòng)的影響；充分發(fā)揮樓板、梁的懸鏈線作用等。

3.2 拉結(jié)強(qiáng)度法

拉結(jié)強(qiáng)度法是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件增加拉結(jié)連接，提供多道荷載傳遞路徑，可以保證結(jié)構(gòu)整體性不受破壞。具體可以采用梁-拉結(jié)模型、懸索-拉結(jié)模型以及懸臂-拉結(jié)模型等，一些學(xué)者也將這種方法歸類為一種量化的概念設(shè)計(jì)方法。

3.3 拆除構(gòu)件法

拆除構(gòu)件法[4]是一種對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力評(píng)估的常用手段，依據(jù)一定的拆除順序，將結(jié)構(gòu)物的某一根柱、墻等構(gòu)件拆除，或者將幾根柱、墻構(gòu)件一次拆除，可以模擬真實(shí)工況，并對(duì)剩余結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力和變形能力分析。規(guī)范指出，應(yīng)該順著結(jié)構(gòu)底層外邊緣，先拆除長(zhǎng)邊中柱（或墻）、再拆除短邊中柱（或墻）、后拆除角柱（或墻）構(gòu)件，并對(duì)剩余結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性靜力分析和非線性動(dòng)力分析。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠較為準(zhǔn)確真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的漸進(jìn)過(guò)程，不受意外荷載形式的限制，能夠較好地評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。

3.4 關(guān)鍵構(gòu)件法

一些不能采用拆除構(gòu)件法分析的特殊構(gòu)件，如果其倒塌會(huì)引起結(jié)構(gòu)大面積的倒塌，則判斷此構(gòu)件應(yīng)考慮設(shè)計(jì)成“關(guān)鍵構(gòu)件”。歐洲規(guī)范指出，關(guān)鍵構(gòu)件在設(shè)計(jì)上應(yīng)在原有荷載數(shù)值基礎(chǔ)上增加34kN/m2，增加的額外荷載是“Ronan Point”公寓承重墻的失效荷載。這個(gè)荷載不能保證不被超越，但基于此方法能夠加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和安全度，從而在一定程度上實(shí)現(xiàn)了控制結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌概率的目的。

4 防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的防范措施

4.1 控制偶然事件

偶然事件是由于偶然荷載的發(fā)生而引起的，偶然荷載的影響因素很多，例如：建筑物的面積大小、人員流通情況、車輛及易燃易爆品是否容易接近等。高效地控制偶然事件的發(fā)生概率是防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的第一道放線，也是最有效地最根本的辦法。具體措施：提高安保人員的安全意識(shí)教育，加強(qiáng)安全檢查，加強(qiáng)建筑周邊的巡邏，防止出現(xiàn)人體炸彈等恐怖襲擊事件；通過(guò)設(shè)置隔離防護(hù)帶防止意外車輛的撞擊事件；通過(guò)對(duì)公眾場(chǎng)所攜帶易燃易爆品的檢查，杜絕燃?xì)獗ㄊ录?/p>

4.2 解除結(jié)構(gòu)引起局部破壞的誘因

對(duì)那些不可避免的偶然事件發(fā)生時(shí)，解除結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞的誘因成為抗連續(xù)倒塌手段的第二道防線。具體措施有：

（1）避免將抗連續(xù)倒塌設(shè)防高的結(jié)構(gòu)建設(shè)在儲(chǔ)存易燃易爆品的倉(cāng)庫(kù)或場(chǎng)地附近；

（2）結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)該規(guī)則、對(duì)稱、簡(jiǎn)單。一些“L”形、“U”型等不規(guī)則形狀的建筑抗倒塌能力較差。

（3）結(jié)構(gòu)豎向設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)規(guī)則統(tǒng)一，避免突變部位，避免因豎向剛度間斷出現(xiàn)薄弱層。

（4）緊急出口的布置應(yīng)該分散均勻，并要求遠(yuǎn)離易燃易爆危險(xiǎn)區(qū)域。

（5）梁跨、柱距應(yīng)布置合理，不宜過(guò)大過(guò)高。采用現(xiàn)澆連續(xù)梁板提高結(jié)構(gòu)耗能能力。

（6）結(jié)構(gòu)層高宜低不宜高，因?yàn)楫?dāng)樓板或主梁突然倒塌時(shí)，柱子由于喪失側(cè)向支撐會(huì)導(dǎo)致計(jì)算長(zhǎng)度突然增大，此時(shí)引起連續(xù)倒塌發(fā)生的幾率大大提高。

（7）在條件許可的情況下，適宜提高結(jié)構(gòu)底層設(shè)計(jì)標(biāo)高，避免意外爆炸或車輛撞擊發(fā)生的可能性。

（8）通過(guò)設(shè)置變形縫（伸縮縫、沉降縫及抗震縫），將結(jié)構(gòu)劃分區(qū)域，各個(gè)區(qū)域內(nèi)又可劃分成多個(gè)功能區(qū)。這樣即使發(fā)生倒塌事件，不會(huì)波及其他，將破壞限制在小區(qū)域內(nèi)。

（9）禁止結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件暴露在外，應(yīng)采用碳纖維布等韌性材料外包保護(hù)。

（10）合理設(shè)計(jì)、固定管道設(shè)備、通風(fēng)空調(diào)等，避免發(fā)生設(shè)備管線偶然墜落傷人的事件。

4.3 防止結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)措施

控制結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的第三條防線是結(jié)構(gòu)工程師的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)[5]方法措施，也是最有效的手段。具體措施如下：

（1）使用超靜定結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)。這種體系即使在偶然作用引起局部破壞時(shí)，超靜定體系仍然能偶維持多條荷載傳遞路徑，分散了作用力，保證了殘留結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

（2）使用延性性能良好的建筑材料。設(shè)置在梁柱節(jié)點(diǎn)等重要部位，可以明顯改善結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布能力和抵抗變形能力。

（3）使用耗能支撐。偶然的沖擊作用引起的撞擊能量，被耗能支撐桿件有效地吸收，起到消能減震的作用。

（4）重點(diǎn)部位設(shè)置防撞柱。對(duì)于建筑底層有車輛經(jīng)常往來(lái)的區(qū)域，在外圍設(shè)置防撞柱減小車輛的撞擊影響。

（5）加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度與延性在破壞時(shí)發(fā)揮作用，應(yīng)通過(guò)構(gòu)造措施加強(qiáng)。

5 結(jié)論

本文對(duì)框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌問(wèn)題進(jìn)行了具體分析和總結(jié)歸納，得到如下結(jié)論：

（1）闡述了國(guó)內(nèi)外發(fā)生的對(duì)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌研究有重大影響的事件，結(jié)合工程實(shí)例說(shuō)明其重要性和危害性。

（2）具體介紹了結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌的概念和倒塌機(jī)理，并詳細(xì)分析了主要的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法：概念設(shè)計(jì)、拉結(jié)強(qiáng)度法、拆除構(gòu)件法、關(guān)鍵構(gòu)件法的內(nèi)涵以及應(yīng)用。

（3）結(jié)合工程實(shí)踐和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)歸納出防范結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的控制措施，提供設(shè)計(jì)和施工人員借鑒參考。

【基金項(xiàng)目：楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目《爆炸沖擊作用下RC框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法研究》（A2014002）】

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