RC 框架結(jié)構(gòu)基于抗連續(xù)倒塌破壞機(jī)制的對策研究

劉歡歡 麻 琳

（洛陽理工學(xué)院， 河南 洛陽 471000）

關(guān)鍵字：RC 框架結(jié)構(gòu)；連續(xù)倒塌；倒塌破壞機(jī)制；對策

0 引言

結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是指由于偶然荷載（如爆炸、沖擊、火災(zāi)、地震等）的作用而導(dǎo)致構(gòu)件初始破壞失效后，這種破壞不斷擴(kuò)展而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌，最終的破壞與初始局部破壞之間的不成比例是連續(xù)倒塌的顯著特點(diǎn)[1]。我國規(guī)范[2][3]中逐漸體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的設(shè)計思路，但多為概念設(shè)計，系統(tǒng)性欠缺。CECS392:2014）[4]較為系統(tǒng)和深入地總結(jié)了我國連續(xù)倒塌研究的成果，標(biāo)志著工程結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌設(shè)計具備了可操作性。本文著眼于抗連續(xù)倒塌的破壞機(jī)制展開對RC 框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌對策分析，豐富了連續(xù)倒塌相關(guān)研究內(nèi)容。

1 連續(xù)倒塌破壞模式及失效準(zhǔn)則

豎向連續(xù)倒塌和混合連續(xù)倒塌是針對RC 框架結(jié)構(gòu)的兩種主要的連續(xù)倒塌模式[5]。豎向連續(xù)倒塌指發(fā)生初始損傷后，造成的破壞只在豎直方向發(fā)生，RC 框架結(jié)構(gòu)中的柱由于初始破壞失效后，不平衡荷載通過與其相連的框架梁傳遞至相鄰柱，造成梁構(gòu)件破壞，由于相鄰柱剛度足夠大，不平衡荷載由柱傳遞至引起上部結(jié)構(gòu)，從而引起豎直方向的坍塌；混合連續(xù)倒塌是指倒塌破壞方向除了豎直方向還包括水平方向，RC 框架柱發(fā)生破壞失效后，同層的某些相鄰柱由于抗側(cè)移剛度不足而導(dǎo)致同層其他的水平梁發(fā)生連續(xù)倒塌破壞，即破壞沿著水平方向發(fā)展，同時某些柱由于抗側(cè)移剛度足夠大導(dǎo)致豎直方向的破壞，兩者混合發(fā)生，彼此影響。

結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的程度大小決定了結(jié)構(gòu)是否發(fā)生連續(xù)倒塌破壞，因此需要規(guī)定最終的倒塌破壞標(biāo)準(zhǔn)。目前強(qiáng)度準(zhǔn)則、變形準(zhǔn)則、機(jī)構(gòu)準(zhǔn)則、疲勞破壞準(zhǔn)則等倒塌失效準(zhǔn)則已被提出[6]，針對目前常用的拆除構(gòu)件法，建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計規(guī)范（CECS392:2014）主要采用了強(qiáng)度準(zhǔn)則和變形準(zhǔn)則，兩個失效準(zhǔn)則屬于構(gòu)件層次，失效范圍縮小至構(gòu)件有利于可操性；強(qiáng)度準(zhǔn)則的適用條件局限于線性靜力分析方法，相比而言，非線性動力分析方法可能誤差較小，因此針對RC 框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌判別，盡可能采用多維度多層次的判別方法。

2 RC 框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的受力機(jī)理

由兩根梁和三根柱組成的梁柱子結(jié)構(gòu)，中柱遭遇破壞后退出工作，假定柱能夠提供足夠的支撐約束而不破壞，體系共同抵抗不平衡荷載，直至梁構(gòu)件發(fā)生連續(xù)倒塌破壞。梁作用階段和懸索階段是子結(jié)構(gòu)必經(jīng)的連續(xù)倒塌階段[7]，對于RC 框架結(jié)構(gòu)的板則經(jīng)歷了薄膜作用。

2.1 梁作用階段

周育瀧[8]等人認(rèn)為此階段結(jié)構(gòu)抵抗倒塌的抗力主要由梁截面彎矩提供，失效柱的附近梁截面提供正彎矩，此區(qū)域產(chǎn)生裂縫，中性軸上移，而遠(yuǎn)離失效柱的梁端截面提供負(fù)彎矩，同時產(chǎn)生裂縫，中性軸下移，此過程相當(dāng)于壓拱作用抵抗不平衡荷載，因此需要與梁相連接的柱能夠提供足夠的水平約束來保證壓拱作用的發(fā)揮，隨著截面承受的彎矩繼續(xù)增大，塑性鉸形成后，壓拱作用逐漸減弱，直至退出梁作用階段。

2.2 懸索作用階段

隨著連續(xù)倒塌進(jìn)程發(fā)展，結(jié)構(gòu)進(jìn)入大變形階段，此時混凝土裂縫發(fā)展充分而失去作用，梁內(nèi)主要依靠縱向受力筋提供軸力，以此抵抗不平衡荷載。當(dāng)所有鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度，受壓區(qū)混凝土達(dá)到抗壓極限而破壞失效，由抗力與截面拉力之間的平衡關(guān)系和豎向位移與構(gòu)件應(yīng)變間的關(guān)系，得到懸索階段開始時子結(jié)構(gòu)的抗力表達(dá)式；隨著塑性鉸的發(fā)展，子結(jié)構(gòu)仍能承受外荷載，縱向受力鋼筋達(dá)到抗拉強(qiáng)度時，截面抗力最大，直至鋼筋截面發(fā)生頸縮破壞，宣告連續(xù)倒塌進(jìn)程結(jié)束，由抗力與截面拉力之間平衡關(guān)系得到最終的抗力值。

2.3 薄膜作用階段

板和梁柱在RC 框架結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)倒塌過程中共同抵抗不平衡荷載，針對板的連續(xù)倒塌受力機(jī)理研究局限在數(shù)值模擬和試驗。實踐證明[9][10]，板與梁柱共同參與抵抗RC 框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌過程，大大提高了抵抗連續(xù)倒塌的能力。在連續(xù)倒塌起初，板內(nèi)截面主要承擔(dān)截面彎矩，表現(xiàn)為受壓薄膜內(nèi)力，隨著連續(xù)倒塌進(jìn)程發(fā)展，板內(nèi)的薄膜內(nèi)力形式可能發(fā)生改變，可以從受壓的薄膜內(nèi)力轉(zhuǎn)化為受拉的薄膜內(nèi)力，依靠板內(nèi)受拉鋼筋提供。

3 基于抗連續(xù)倒塌破壞機(jī)制的對策

3.1 采用強(qiáng)度高的混凝土和鋼筋

以上分析可知，梁構(gòu)件在梁作用階段主要由混凝土和鋼筋共同承受截面彎矩，其中混凝土的強(qiáng)度大小決定了此階段持續(xù)的長短，因此可采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度大的新型混凝土材料來彌補(bǔ)普通混凝土的強(qiáng)度不足；另外，梁構(gòu)件縱筋在梁作用階段也參與抵抗截面彎矩，但受拉性能的充分發(fā)揮主要體現(xiàn)在抗連續(xù)倒塌的懸索階段，因此，鋼筋的強(qiáng)度大小主要影響梁構(gòu)件連續(xù)倒塌破壞發(fā)生的先后，適當(dāng)增大鋼筋的抗拉強(qiáng)度將延緩連續(xù)倒塌破壞的發(fā)生，對結(jié)構(gòu)來說是有利的。

3.2 增加多余約束

增加多余約束能有效增加結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，超靜定結(jié)構(gòu)除了能抵抗不平衡荷載之外，同時能夠保證結(jié)構(gòu)的幾何不變體系特性，當(dāng)某構(gòu)件遭遇破壞時可由剩余體系抵抗不平衡荷載?？刹捎靡韵率侄卧黾佣嘤嗉s束：一是設(shè)置數(shù)目適量的受力構(gòu)件[11]，以提供足夠的備用傳力路徑，當(dāng)某些受力構(gòu)件遭破壞失效后，通過剩余多個構(gòu)件發(fā)揮梁作用、懸索作用共同抵抗不平衡荷載；二是避免簡支梁的設(shè)計，注意結(jié)點(diǎn)約束的處理，通過增加多余約束的數(shù)量來保證受力機(jī)制的發(fā)生。

3.3 增強(qiáng)柱的側(cè)移剛度

在RC 框架結(jié)構(gòu)中通過加強(qiáng)柱的設(shè)計能夠預(yù)防混合式連續(xù)倒塌的發(fā)生，由于增強(qiáng)柱的側(cè)移剛度從一定程度上使柱端產(chǎn)生較大彎矩，保證柱在梁之后發(fā)生破壞，即發(fā)生豎向連續(xù)倒塌的幾率高于混合式連續(xù)倒塌；同時，提高側(cè)移剛度保證了柱端大變形的能力，通過為相連的梁端提供足夠的水平約束力而促進(jìn)壓拱作用的發(fā)生，有利于梁作用的發(fā)揮。可通過以下手段進(jìn)行提高：一是選取恰當(dāng)?shù)慕孛嫘问?；二是宜適當(dāng)增加底層柱的縱向配筋的最小配筋率，并符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定；三是強(qiáng)化梁柱節(jié)點(diǎn)，保證梁柱之間的不平衡荷載有效傳遞。

3.4 增強(qiáng)梁縱筋的錨固

在懸索階段，混凝土完全失效，結(jié)構(gòu)主要通過梁截面內(nèi)縱向鋼筋的拉力提供抗力，因此保證鋼筋拉力的充分發(fā)揮至關(guān)重要?？赏ㄟ^以下手段增強(qiáng)：一是確保受力縱筋通長布置在梁內(nèi)，這是懸索作用發(fā)揮的基本條件；二是縱筋兩端錨固到梁柱節(jié)點(diǎn)的混凝土中時確保足夠的錨固長度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮符合抗連續(xù)倒塌要求的的錨固長度，通過提供足夠的水平約束力保證鋼筋的軸向拉力逐漸增強(qiáng)，達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限后破壞。

3.5 加強(qiáng)板的連續(xù)性

結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)倒塌的過程中不可忽視板的重要作用，提高其連續(xù)性能更好發(fā)揮與梁柱的協(xié)同作用?？刹扇∫韵率侄危阂皇且蟀迮c梁的連接盡量采用現(xiàn)澆的方式，以提供足夠的水平約束來保證薄膜壓力的發(fā)生；二是板內(nèi)配筋雙層雙向布置，使發(fā)生連續(xù)倒塌破壞時提供可發(fā)生的內(nèi)力支持；三是板周圍梁的支承采用四邊支承的方式，其優(yōu)于三邊支承和兩邊支承的方式，板被四邊支承時形成兩個方向的約束，有助于雙向薄膜內(nèi)力的發(fā)揮。

4 結(jié)語

本文主要從破壞模式及失效準(zhǔn)則和受力機(jī)理兩個方面總結(jié)了RC 框架結(jié)構(gòu)在連續(xù)倒塌過程中的破壞機(jī)制，在此基礎(chǔ)上提出RC 框架結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)倒塌的應(yīng)對措施，結(jié)合材料特性、結(jié)構(gòu)特性、構(gòu)件特性等方面具體闡述對策，為預(yù)防和控制RC框架結(jié)構(gòu)提供參考。隨著抗連續(xù)倒塌破壞機(jī)制在定量化理論研究方面的深入，系統(tǒng)化的RC 框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌對策將真正應(yīng)用到工程實踐中。