歐洲規(guī)范EC2中對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌的要求

張振坤

（凱德邦（天津）建筑設(shè)計(jì)有限公司，天津 300011）

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是國(guó)內(nèi)建筑產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的主要方向。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件在其他地方制作并裝配到其最終位置的結(jié)構(gòu)物，與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于結(jié)構(gòu)連續(xù)性的獲得方式。對(duì)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)的連續(xù)性隨著施工過(guò)程自動(dòng)獲得；而對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)而言，預(yù)制構(gòu)件之間的可靠連接是保證結(jié)構(gòu)連續(xù)性的必要條件。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)只有在各預(yù)制構(gòu)件準(zhǔn)確連接之后才會(huì)形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系,所以對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及安全的考慮必須貫穿整個(gè)施工過(guò)程。由于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)區(qū)別于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)和施工特點(diǎn)，對(duì)裝配式混凝土建筑物的整體牢固性校核及防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)就顯得更加重要。

目前國(guó)內(nèi)在大力推進(jìn)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，但對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌研究還在完善當(dāng)中。歐洲國(guó)家總結(jié)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的教訓(xùn)，依據(jù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果、配合理論分析以及經(jīng)驗(yàn)規(guī)則得出了采用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)拉桿作為替代傳力途徑，進(jìn)而保證裝配式混凝土結(jié)構(gòu)整體牢固性的方法。這種方法對(duì)國(guó)內(nèi)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中有關(guān)防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)條文具有借鑒及參考價(jià)值。

1 建筑物防連續(xù)倒塌的方法

建筑物在偶然事故荷載（如煤氣爆炸及車(chē)輛撞擊等）作用下，可能引起局部結(jié)構(gòu)的破壞，為了避免建筑物由于局部破壞而引起整體性連續(xù)倒塌，需要對(duì)建筑物做整體牢固性設(shè)計(jì)。歐洲混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EC2[2]和其他國(guó)家的規(guī)范對(duì)此都有說(shuō)明，主要概括為以下兩種方法。

1）局部加強(qiáng)法，也叫關(guān)鍵構(gòu)件法。對(duì)可能遭受偶然作用的關(guān)鍵豎向構(gòu)件及關(guān)鍵傳力部位進(jìn)行設(shè)防，即采用偶然作用荷載對(duì)相關(guān)的豎向構(gòu)件及連接進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠抵抗相應(yīng)的偶然作用。

2）替代傳力途徑法。類(lèi)似煤氣爆炸這樣的偶然作用，在正常情況下出現(xiàn)的概率很小，如果把所有相關(guān)的豎向構(gòu)件及連接都設(shè)計(jì)成能夠抵抗煤氣爆炸荷載，會(huì)引起構(gòu)件及連接的過(guò)度冗余而造成浪費(fèi)。對(duì)這種出現(xiàn)概率很小的偶然作用，允許局部結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下?lián)p壞（在相鄰兩層的損壞面積不超過(guò)單層樓層總面積的15%或者100 m2，二者取小值）[3]，原來(lái)由損壞局部結(jié)構(gòu)承擔(dān)的力會(huì)通過(guò)其他替代傳力途徑傳給剩余結(jié)構(gòu)體系，而不引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌，當(dāng)然這需要剩余結(jié)構(gòu)體系的極限承載力能滿足抵抗整個(gè)建筑物荷載的要求。

替代傳力途徑法中又包括兩種設(shè)計(jì)方法。

（1）拆除構(gòu)件法。按一定規(guī)則拆除結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件（不包括關(guān)鍵構(gòu)件），驗(yàn)算剩余結(jié)構(gòu)體系的極限承載力。

（2）拉結(jié)構(gòu)件法?；诮?jīng)驗(yàn)規(guī)則的設(shè)計(jì)方法，不是針對(duì)某些特定構(gòu)件進(jìn)行拆除驗(yàn)算，而是對(duì)結(jié)構(gòu)的全部構(gòu)件作拉結(jié)設(shè)計(jì)及拉桿配置。

在一個(gè)建筑物中，可以同時(shí)采用關(guān)鍵構(gòu)件法和替代傳力途徑法，對(duì)不允許破壞的關(guān)鍵構(gòu)件和連接做設(shè)防，對(duì)其他結(jié)構(gòu)部分采用拆除構(gòu)件法或拉結(jié)構(gòu)件法設(shè)計(jì)[4]。由于拆除構(gòu)件法計(jì)算復(fù)雜，對(duì)中高風(fēng)險(xiǎn)建筑物的設(shè)計(jì)不常用，而是普遍采用計(jì)算簡(jiǎn)單的拉結(jié)構(gòu)件法。

文獻(xiàn)[2]和[3]規(guī)定：對(duì)不超過(guò)15層的中高風(fēng)險(xiǎn)分組的建筑物，如果對(duì)其設(shè)計(jì)并配置了規(guī)范要求的各種拉桿，就認(rèn)為結(jié)構(gòu)能滿足替代傳力途徑要求，進(jìn)而保證結(jié)構(gòu)的整體牢固性。

2 依照EC2的拉桿設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)拉結(jié)系統(tǒng)

如果結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒(méi)有設(shè)計(jì)成能夠抵抗偶然事故荷載，為了避免結(jié)構(gòu)在局部損壞后引起整體性連續(xù)倒塌，應(yīng)有一個(gè)合適的拉結(jié)系統(tǒng)以提供替代的傳力途徑。如果拉結(jié)系統(tǒng)中的各種拉桿在結(jié)構(gòu)物中進(jìn)行合理配置，就可以避免結(jié)構(gòu)發(fā)生整體性連續(xù)倒塌。見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 替代傳力途徑

圖2 結(jié)構(gòu)拉桿配置

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)拉結(jié)系統(tǒng)的基本思想是假定某一豎向承重構(gòu)件失效后，原由其支撐的梁、板在大變形的情況下，由梁機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)閼益湙C(jī)制，即由原來(lái)的受彎構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓨?gòu)件，豎向荷載通過(guò)梁的懸鏈作用或板的薄膜作用傳遞到相鄰的結(jié)構(gòu)。如果在梁、板中配置了足夠的鋼筋用于抵抗由于懸鏈作用或薄膜作用在梁、板中產(chǎn)生的拉力，那么就可以避免本層梁板的墜落。見(jiàn)圖3。

圖3 懸鏈作用受力分析

根據(jù)圖3，在均布荷載作用下，懸鏈在跨中的拉力及支座處的水平反力和懸鏈在支座處的拉力分別由式（1）和式（2）給出

對(duì)式（2）中的各參數(shù)取代表性的值L=5（m），q=5.0（kN/m2），Δ=0.2L，可得到基本拉力為67 kN/m，與EC2給出的建議值70 kN/m接近?？紤]到荷載大小、跨度和拉結(jié)位置的變化，不同類(lèi)型的拉結(jié)力在基本拉力的基礎(chǔ)上作調(diào)整。

對(duì)三維的建筑物，其拉結(jié)系統(tǒng)中包括各種水平拉桿（周圈拉桿、內(nèi)部拉桿、墻及柱的水平拉桿等）以及豎向拉桿。

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)拉桿的目的是提供結(jié)構(gòu)物最低水平的強(qiáng)度、連續(xù)性及延性。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)拉桿是預(yù)防裝配式混凝土結(jié)構(gòu)整體性連續(xù)破壞最常用的方法。結(jié)構(gòu)拉桿是指連續(xù)并充分錨固的受拉桿件（包括鋼筋和鋼絞線），它們通常布置在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層、填充帶、套筒以及預(yù)制構(gòu)件之間的連接處，進(jìn)而形成一個(gè)三維立體的網(wǎng)絡(luò)，見(jiàn)圖4。

如果建筑物設(shè)置伸縮縫，那么各自獨(dú)立的部分應(yīng)分別設(shè)有拉結(jié)系統(tǒng)。歐洲混凝土規(guī)范EC2對(duì)各種結(jié)構(gòu)拉桿所需要抵抗的拉力給出了建議值并且允許各國(guó)根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r做出修改。以下介紹的各種拉桿應(yīng)抵抗的拉力數(shù)值是依據(jù)EC2的新加坡國(guó)家附錄[5]中所設(shè)定的值，亦即是原英國(guó)混凝土規(guī)范BS8100[6]中設(shè)定的值。

圖4 結(jié)構(gòu)拉桿

2.2 水平拉桿

每樓層及屋面層的基本拉力應(yīng)取以下兩項(xiàng)中的較小值

式中：n0為樓層總數(shù)。

式（4）是一個(gè)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)重要性的經(jīng)驗(yàn)性取值方法，樓層越高，連續(xù)性倒塌引起的后果越大，所需的基本拉力越大。

水平拉桿可以進(jìn)一步分為周圈拉桿，內(nèi)部拉桿和柱、墻水平拉桿。

2.2.1 周圈拉桿

周圈拉桿應(yīng)布置在離建筑結(jié)構(gòu)外表面1.2 m寬的板內(nèi)或者周圈梁或墻內(nèi)。周圈拉桿的拉力設(shè)計(jì)值為

如依據(jù)基本拉力60 kN來(lái)計(jì)算，所需的周圈拉桿的鋼筋面積為120 mm2(As=60×103/500),大約為一根屈服強(qiáng)度500 MPa的鋼筋。如果結(jié)構(gòu)的平面布置有內(nèi)凹邊，如L形或U形，那么周圈拉桿就要直接延長(zhǎng)并錨固到另一邊。見(jiàn)圖5。

圖5 周圈拉桿在有內(nèi)凹邊的結(jié)構(gòu)平面中的布置

2.2.2 內(nèi)部拉桿

每層的內(nèi)部拉桿應(yīng)布置在相互垂直的方向并且錨固到周圈拉桿或者柱、墻當(dāng)中。內(nèi)部拉桿的間距不能超過(guò)1.5Lr，Lr為在內(nèi)部拉桿所考慮的方向上豎向承重構(gòu)件中心之間的最大距離（見(jiàn)圖4中的Lr）。

內(nèi)部拉桿應(yīng)能抵抗的拉力

式中：(gk+qk)是指永久荷載及可變荷載的平均標(biāo)準(zhǔn)值之和。

全部或部分內(nèi)部拉桿可以均勻地布置在樓板中或者集中地布置在梁或墻的部位。如果把內(nèi)部拉桿集中地布置在墻內(nèi)，那么拉桿筋應(yīng)布置在距樓板上下表面各0.5 m的高度范圍內(nèi)。對(duì)于沒(méi)有現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層的樓板系統(tǒng)，垂直于樓板跨長(zhǎng)方向上的內(nèi)部拉桿應(yīng)布置于支承樓板的梁或墻中。

2.2.3 外圈墻、柱的水平拉桿

結(jié)構(gòu)外圈的邊柱和邊墻應(yīng)在每個(gè)結(jié)構(gòu)層的水平方向上通過(guò)拉桿連接到結(jié)構(gòu)本身，此拉桿的設(shè)計(jì)拉力應(yīng)取以下兩種計(jì)算結(jié)果中的較大值

式中：Nult,percol為單個(gè)柱或墻在考慮的樓層所承受的總豎向極限設(shè)計(jì)荷載；ls為樓面到上一層板底的距離。

對(duì)角柱來(lái)說(shuō)，水平拉桿在兩個(gè)垂直的方向都要布置，用做樓板周圈拉桿的鋼筋可以同時(shí)作為角柱的水平拉桿筋。如果周圈拉桿布置在墻、柱位置并且內(nèi)部拉桿錨固到周圈拉桿，那么就不需要布置額外的墻、柱水平拉桿；否則，柱或者墻體的每延米長(zhǎng)度上都要通過(guò)拉桿拉結(jié)到樓板。見(jiàn)圖6。

圖6 水平拉桿布置

2.3 豎向拉桿

對(duì)5層及以上的板式建筑物，為了限制下層支承柱或墻偶然失效時(shí)對(duì)樓板破壞的范圍，應(yīng)在墻、柱中布置豎向拉桿。這些拉桿會(huì)成為跨越損壞區(qū)域的橋接系統(tǒng)的一部分。

每個(gè)承重墻、柱的豎向拉桿應(yīng)從基礎(chǔ)到屋面層連續(xù)布置。拉桿的設(shè)計(jì)拉力為墻、柱在所考慮的樓層面上所承受的單層極限設(shè)計(jì)荷載。如果結(jié)構(gòu)平衡且變形能力得到驗(yàn)證，也可以采用依靠剩余墻體的整體作用或樓板膜張力作用的其他方法。

2.4 拉桿和其他鋼筋比例

當(dāng)作為拉桿的鋼筋及鋼絞線按其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)，按其他目的設(shè)計(jì)的鋼筋及鋼絞線可以部分或全部當(dāng)作拉桿。所設(shè)計(jì)的拉桿筋面積是結(jié)構(gòu)需配置拉桿部位的最小鋼筋面積，而不是和按結(jié)構(gòu)分析所需鋼筋面積相疊加。如果拉桿的連續(xù)性可以保證，那么拉桿可以部分或全部布置在預(yù)制構(gòu)件中。

2.5 拉桿的連續(xù)性

拉桿的連續(xù)性可以通過(guò)鋼筋搭接、鋼筋焊接、鋼筋套筒、預(yù)埋鋼板以及螺栓連接等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)；也可以通過(guò)搭接或用封閉的箍筋連接預(yù)制構(gòu)件中的鋼筋來(lái)獲得。如果拉桿不是在一個(gè)平面內(nèi)連續(xù)，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮由于偏心而產(chǎn)生的彎曲效應(yīng)。見(jiàn)圖7。

圖7 拉桿筋通過(guò)搭接及封閉箍筋而獲得連續(xù)性

2.6 拉桿筋的錨固

內(nèi)部拉桿筋要有效地錨固到周圈拉桿筋，見(jiàn)圖8。如滿足以下要求，就可認(rèn)為內(nèi)部拉桿筋有效地錨固到周圈拉桿筋。

圖8 內(nèi)部拉桿筋錨固到周圈拉桿筋

1）內(nèi)部拉桿筋延伸超過(guò)所有用做周圈拉桿的鋼筋后的錨固長(zhǎng)度有12倍鋼筋直徑或等效值。

2）內(nèi)部拉桿筋延伸超過(guò)周圈拉桿筋的中線后有一個(gè)有效錨固長(zhǎng)度（有效錨固長(zhǎng)度依據(jù)內(nèi)部拉桿筋中的受力算得）。

對(duì)邊柱中相互垂直的內(nèi)部拉桿筋錨固，可采用圖9的方法。需要注意的是內(nèi)部拉桿筋可以是部分由邊柱支承的周圈梁中的主筋。

圖9 邊柱中的內(nèi)部拉桿筋錨固

3 結(jié)論

由于結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌的復(fù)雜性，如何準(zhǔn)確分析和設(shè)計(jì)還有很多工作要做。拆除構(gòu)件法可能更偏于安全，但是工作量巨大；區(qū)別于關(guān)鍵構(gòu)件法和拆除構(gòu)件法，拉結(jié)構(gòu)件法不是針對(duì)明確的關(guān)鍵構(gòu)件或主要構(gòu)件，而是基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)拉桿，為建筑物提供最低水平的強(qiáng)度、連續(xù)性及延性。拉結(jié)構(gòu)件法設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)單，更適合工程設(shè)計(jì)應(yīng)用。