防止框架结构连续性倒塌的措施

蒲文国 李 东

结构连续性倒塌是指结构在正常使用条件下由于偶然事件引起局部破坏并沿构件传递，最终导致整个建筑物倒塌或者造成与初始破坏不成比例的倒塌[1］。引起结构连续性倒塌的原因主要有施工错误、煤气爆炸、机动车辆撞击、火灾等。连续性倒塌一旦发生，一般造成惨重的人员伤亡和财产损失。近年来由于各种意外事件造成的建筑结构连续性倒塌事故，使得该问题日益受到公众的关注和研究者的重视[2］。

目前常用的连续倒塌设计方法主要有偶然事件控制法，间接设计方法和直接设计方法[3］。偶然事件控制法即消除引起连续倒塌的原因，从根本上消除结构发生连续性倒塌的可能性。间接设计法实际上是一种概念设计，主要是通过加强结构的整体性、连续性、延性和冗余度，从而提高结构抵抗连续倒塌的能力。直接设计法主要采用改变传力途径法进行分析和设计，通常也称为计算设计。本文主要介绍偶然事件控制法和间接设计法。

1 偶然事件控制法

偶然事件是引起结构遭受偶然荷载作用，进而导致其发生连续倒塌的最初原因。偶然荷载的发生频率和建筑物的规模、用途、人员居住情况、所包含的单元数以及车辆是否易于到达建筑物等因素都有关系。防止结构发生连续倒塌的根本在于控制偶然事件的发生，把偶然事件的发生概率降至最低[4］。这主要靠政府和全社会的共同努力。譬如:加强安全检查和保安巡逻的力度，避免汽车炸弹、恐怖袭击等这种意外事件的发生;控制机动车辆的进出或在建筑物四周设置隔离带，防止机动车辆对建筑物的撞击;限制燃气在重要公共建筑中的应用，消除燃气爆炸的隐患。

2 间接设计法

间接设计法即概念设计法，主要是采取一些建筑和结构措施来提高结构体系的延性和连续性，维持结构在偶然事件中的整体性。

2.1 防止结构连续倒塌的建筑措施

若采用防护措施仍不能避免偶然事件的发生时，我们可以通过建筑上合理的安排，减轻结构发生连续倒塌的风险。

1)隔离不安全区域。停车场和存放易燃易爆物品的仓库是偶然事件高发地区，在建筑规划和布局时，尽量使重要结构远离这些危险区域。2)设置安全隔离带。通过合理的场地规划，在结构周围设置出足够的缓冲空间，以减轻偶然荷载对结构的作用。因此，在结构的周围设置安全隔离带，使机动车辆无法轻易到达重要结构区域，从而无法对结构进行撞击。通常，可以用绿化带、树木、河道甚至栅栏、隔离墩等来设置安全隔离带。3)合理设置疏散出口。紧急疏散出口和楼梯间的设置应尽量分散于建筑物的各个角落，并尽可能远离结构的薄弱区域和危险区域。同时，应设置醒目的指示牌，使遇险人员能知道最快的逃生方向，避免恐慌造成的人员伤亡损失。4)合理划分功能区。通过合理设置伸缩缝、沉降缝或抗震缝把建筑物划分为若干个区，并根据使用性质分成不同的功能区，使得偶然事件发生时结构的连续倒塌限于一个区内，从而减小人员伤亡和经济损失。5)减小柱距和梁的跨度。尽量减小柱距和梁的跨度，采用连续梁板结构，能有效的提高梁的跨越能力。因此，在满足框架类结构体系的一般建筑要求的前提下，建议柱距不要太大。6)降低结构的层高。结构的层高是影响结构抗连续倒塌能力的重要因素，特别是当楼板或主梁因偶然作用发生坍落时，柱子因为侧向支承的丧失而导致计算长度突然增大，在这种情况下柱子可能发生整体失稳从而导致构件发生一系列的连锁失效。因此，在满足建筑及功能要求的情况下，应尽量降低结构的层高。

2.2 防止结构连续倒塌的结构措施

从控制偶然事件的发生和采用合理的建筑规划设计虽然能在一定程度上降低结构连续倒塌的发生，但更重要的是采取增强结构整体性、连续性、延性和冗余度的结构措施，以达到防止结构连续倒塌的目的[5，6］。

1)采用延性较好、自重轻的材料。应尽量选用延性好的建筑材料用于单元和节点连接，提高结构塑性变形和内力重分配的能力。同时，使用延性好的材料，还可以避免结构发生脆性破坏，给人员的逃生和营救争取时间。结构的自重对结构连续倒塌中增大内力和形成冲击荷载具有重要影响，选用自重结构材料有利于防止结构连续倒塌的发生。

2)确保侧向刚度均匀变化。结构体系的侧向刚度宜均匀、连续的变化，避免结构上柔弱层和薄弱层的出现。竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力的突变。从而避免因偶然作用导致薄弱层大面积倒塌，进而发生整体性倒塌。

3)加强结构构件的连接构造。对于框架结构，当某根柱发生破坏失去承载力，其直接支承的梁应能跨越两个开间而不塌落，这就要求跨越柱上梁中的钢筋贯通并具有足够的抗拉强度，通过贯通钢筋的悬链线传递机制，将梁上荷载传递至相邻的柱。拉结构造是最简便的保证结构整体性的措施。对于混凝土框架结构，一般要求在外围周边构件中的纵向受力钢筋应拉通布置(纵向、横向、竖向)，结构的内部拉结应沿互相垂直的两个方向分布在各个楼层，并与外部拉结有效连接。

4)采用耗能装置。偶然事件对结构体系的不利影响难以预料，但无论是哪类偶然荷载作用，都对结构有冲击作用。为减小冲击荷载对结构的影响，在条件允许的情况下，可以选择合适的耗能装置。

5)关键构件保护。关键构件对于整个结构体系的承载能力有着举足轻重的作用。其一旦失效将会直接导致结构大面积或整体的倒塌。因此针对结构的关键构件应对其进行重点保护，从而在结构遭受偶然荷载作用时，这些关键构件不会立即发生失效，同时外加荷载可通过其他构件的塑性发展而重新分布，从而达到提高整个结构整体性和坚固性的目的。

6)楼板设计。在偶然荷载作用下，楼板的受力方向可能和正常使用条件下的受力方向不同，而且当传递楼面荷载的某根梁或柱失效时，楼板的主受力方向也可能发生变化，因此设计时应当对楼板进行特殊设计，并进行双层双向配筋，使得楼板有能力在跨度方向和受力方向改变的情况下继续承载，从而阻止楼板的坍塌，减小落于结构其他部分的残骸堆载。

7)节点设计。结构体系的安全与否除和构件的强度以及整体稳定性相关外，连接节点的强度和延性也直接影响结构体系的承载力和塑性变形能力，从而影响整个结构体系的安全性，因此节点设计是提高结构抗连续倒塌能力的一个不可或缺的环节。

3 结语

一般情况，所有框架结构应对可能遭受的偶然荷载作用不敏感，也就是说应当避免框架结构中因单根构件的失效而导致其发生大范围的连续倒塌。本文介绍的框架结构抗连续性倒塌的措施，供设计人员在工程结构设计中借鉴，其实际效果需要设计人员根据具体工程情况灵活运用，关键是要能够把握整个结构体系的安全性。同时，也要从各种工程结构事故中汲取教训，不断丰富抗连续倒塌的结构设计经验。

[1]ELLINGWOOD B R.Mitigating risk from abnormal loads and progressive collapse[J］.Journal of Performance of Constructed Facilities，2006，20(4):315-323.

[2]胡晓斌，钱稼茹.结构连续倒塌分析与设计方法综述[J］.建筑结构，2006，36(sup):5-83.

[3]LEYENDECKER E V.，ELLINGWOOD B R..Design methods for reducing the risk of progressive collapse in buildings[J］.National Bureau of Standards，Washington，D.C，1977(3):62-63.

[4]陈峻岭.建筑结构二次防御能力评估方法研究[D］.上海:同济大学，2004.

[5]Hayes J R，Woodson S C，Pekelnicky R G.Can strengthening for earthquake improve blast and progressive collapse resistance[J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，2006，131(8):1157-1177.

[6]UFC 4-023-03，Design of structures to resist progressive collapse[S］.Washington D C:Department of Defense，USA，2005.