钢筋混凝土框架结构抗震与抗连续倒塌的比较*

吴赵强 李 艳 熊进刚

1 概述

所谓结构的连续倒塌(Progressive collapse)是指结构在偶然荷载(主要包括炸药爆炸、气体爆炸、车辆撞击和重物冲击等)作用下局部破坏不断扩展并最终形成和结构初始破坏面积不成比例的破坏甚至导致结构倒塌的过程。连续倒塌一旦发生,一般造成严重的生命财产损失,并产生恶劣的社会影响,因而日益受到公众的关注和研究者的重视。抗连续倒塌设计和抗震设计在结构的整体性、延性和冗余度等方面有类似要求。结构构件的抗震构造要求改善了构件的延性,使得结构在大震下实现延性破坏,而这些能力正是结构在抵御连续倒塌时所需要的。美国学者Corley和Hayes等人对美国俄克拉荷马州政府大楼的倒塌事故进行了调查与分析,结果表明,抗震设计中提出的结构冗余特性和连接延性能力等要求,对提高结构抵抗连续倒塌能力是有益的。但结构抗连续倒塌设计与抗震设计还是存在诸多差别,通过结构的受力机制和倒塌破坏准则两方面,对其进行比较分析。

2 受力机制的比较

2.1 作用不确定性的比较

与地震作用相比,偶然荷载的发生概率以及作用的大小具有更大的不确定性。同时,其对于建筑结构局部产生的破坏作用一般要大于地震作用。因此,在考虑偶然荷载时,建筑设计的安全储备与考虑地震作用时相比应当适当降低,允许结构出现较大的变形和裂缝,甚至出现局部破坏。

2.2 作用方向的比较

虽然地震作用可来自任意的方向,但在抗震设计时,一般只需对结构纵、横两个主轴方向进行抗震计算,主要承受水平方向的力,而连续倒塌时结构主要承受竖向的恒载和部分活载。

2.3 作用分布区域的比较

偶然荷载的作用效应通常都是局域性的,其结果是结构发生局部严重破坏。地震作用是由地面运动产生,并通过基础作用于结构整体,使结构的各个部分同时受力。当建筑物受到地震作用时,分布于整个结构各个部分的非弹性变形能力能够有效地减轻对结构的损坏。

2.4 作用时间及方式的比较

偶然荷载的作用时间非常短暂,例如爆炸冲击波会以超音速传递,其作用为一次脉冲性动荷载,一般可以简化为由升压段和衰减段组成的同向荷载,结构受到爆炸冲击波的直接作用持续时间通常为几毫秒到几百毫秒,其持续时间与结构的自振周期相比要小得多。地震作用是地震引起的震动以波的形式传递至结构的过程,地震时结构上的荷载是结构反应加速度和质量引起的惯性力,结构在地震时会发生往复运动,其持续时间一般为数秒至数分钟,地震引起的振动周期相对更接近于结构的自振周期。与偶然荷载作用相比,地震作用下构件反复受力而出现严重的强度与刚度退化,延性差。

3 破坏准则的比较

3.1 地震作用下倒塌的破坏准则

在抗震设计的早期,人们使用强度破坏准则,主要认为结构内力大于允许承载力时结构就破坏了,就是说结构在地震作用下一旦屈服,混凝土应力就不再增加,显然这是用加大强度的方法来提高结构的抗震能力,而提高强度只能推迟进入塑性阶段。长期的抗震工程实践表明,将一般结构物设计为“延性结构”是适宜的。通过适当的控制结构物的刚度与强度,使结构构件在强烈地震时进入非弹性状态后仍具有较大的延性,从而可以通过塑性变形消耗地震能量,使结构物至少保证“坏而不倒”。目前人们常使用的破坏准则有变形准则,能量准则,疲劳准则或由两种经过组合而形成的双重破坏准则。有研究者认为对变形和累积能量进行某种组合而建立的双重破坏准则及相应建立的破坏指标是较合理的。

3.2 连续倒塌的破坏准则

对偶然荷载作用下结构发生的连续倒塌破坏,清华大学的陆新征等学者通过对爆炸荷载下的结构的倒塌进行了研究分析,在对3层钢筋混凝土框架结构进行拆除构件法的连续倒塌分析时,同时采用了强度准则和变形准则进行判断。认为在3层钢筋混凝土框架结构的倒塌分析中,混凝土应力达到抗拉或抗压强度标准值即发生软化,钢筋应力达到抗拉强度标准值则发生屈服,屈服后伸长超过10%即认为钢筋发生断裂。另外,按照DoD2005附录B的说明,当框架梁在失去其支承柱后,支承点处的挠度不应超过梁跨度的10%,亦作为构件的失效判别准则。

4 结语

通过以上分析,我们可以得到如下结论:1)抗震与抗连续倒塌在作用方向、作用时间及作用区域等方面均有较大差别,应当分别考虑。2)结构连续倒塌的荷载—位移曲线、塑性铰的位置和转动能力及结构破坏机制等有其自身特点。3)结构抗震设计的有益作用并不能取代抗连续倒塌设计,应立足于结构连续倒塌的自身特点,建立合适的评价方法和设计体系。

[1]江晓峰,陈以一.建筑结构连续性倒塌及其控制设计的研究现状[J].土木工程学报,2008,41(6):37-38.

[2]宋晓胜,苏幼坡,王兴国,等.爆炸与地震作用对钢筋混凝土结构影响的比较[J].自然灾害学报,2008,17(2):13-14.

[3]张素芬.钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌分析[D].长沙:湖南大学硕士学位论文,2008.

[4]李国强,李 杰,苏小卒.建筑结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[5]王 刚,于德成,李 雪.关于底部框架砖混结构震害分析的反思[J].山西建筑,2008,34(9):121-122.