结构工程抗倒塌设计探讨

姚定钊

摘 要：本文主要阐述了在地震等灾害下结构坍塌的原因，论述了目前倒塌结构存在的各项问题，总结了目前的倒塌结构破坏规律与防止倒塌的措施，希望能为抗倒塌工程的建设提供帮助。

关键词：结构工程;抗倒塌;设计

世界上每年都会因为各种原因发生各种的建筑倒塌事件，给人们的生命与财产安全带来了严重的影响。因此研究结构工程的坍塌规律，提高建筑在地震、爆炸等外界因素作用下的抗倒塌能力就显得格外重要。现在的抗倒塌设计有两种，一种是为了抵抗地震的设计;另一种是抵抗爆炸的设计。地震能带来严重的人员伤亡与财产顺势，例如1976年的唐山大地震，共造成24.28万人死亡，损失150亿美元;而恐怖袭击等发生的爆炸也一样会带来损失，同时还会引起社会恐慌，例如美国世贸大厦在2001年受到基地组织的袭击而倒塌，造成了3225人死亡或失踪，损失经济450亿美元。这类事故不胜枚举，人们也在逐年加强建筑结构的稳定性，但目前仍没有较好的解决办法。

1 结构倒塌类型及特点

1.1 地震

1.1.1 砌体结构

在我国，砌体结构占了相当大的一部分，砌体结构的倒塌效果如图1所示：

图1 砌体结构的倒塌效果

根据汶川地震的调查显示，许多砌体结构的建造并不合理，许多建筑为了节省材料与增加空间都没有设置立柱和圈梁，而有的设置了立柱与圈梁的却因为配筋不正确等因素也在地震中坍塌了;结构上下层的刚度不同，导致刚度低的楼层先被压塌而后引发坍塌，因此在建筑设计中要把握好结构层的刚度;目前有的建筑为了节约成本所使用的材料不达标，空心板连接不到位等。

1.1.2 混凝土结构

我国城市中大多是混凝土结构，混凝土结构坍塌效果如图2所示：

图2 混凝土结构坍塌效果

混凝土结构倒塌的原因是：地区建筑的抗震强度不足以应对实际地震的强度;楼层的刚度不协调，导致高刚度的楼层压垮了低刚度的楼层;有的框架结构没有遵从“强柱弱梁”的建造原则，在发生地震时，柱体遭到破坏而引发坍塌，虽然在实际建筑中很难实现强柱弱梁，但是也需要考虑如何加强柱体的强度，让其在地震时不那么快发生柱铰，让内部人员有时间逃离。

1.1.3 钢结构

钢结构的抗震性是最好的，破坏效果如图3所示：

图3 破坏效果

汶川地震后，有57%的轻钢结构可以直接被再次使用，而其余43%也可以在加固后加以使用。轻钢结构由于节点处需要许多焊缝，而受力处也恰恰是节点处，因此在地震时也难免会发生断裂，但是轻钢结构也要遵从强柱弱梁的建筑原则。

1.2爆炸冲击

爆炸冲击引发的建筑坍塌事故正在逐年增多，当爆炸发生时，炸弹、飞机等撞击到建筑局部，导致建筑物荷载受力传递发生改变，其余构建无法承受传递过来的力而发生坍塌。如图4所示：

图4 爆炸冲击坍塌

2 抗倒塌设计的原则

2.1 地震发生时的抗倒塌计算

2.1.1 日本规范

日本是世界上地震发生频率较高的国家，因此对建筑抗震有很深的研究，日本在2009年推出了抗震规范BSL2009，有效降低了地震带来的损失。BSL2009中将地震分为两个水准：第一中震，中震是指地震加速度在0.08g～0.19g，在建筑寿命内发生一定次数的地震。终中震水准规定，建筑结构不允许有破坏，非结构建筑可以有不发生危险的破坏;第二强震，强震在建筑寿命内只能发生一次，振动加速度为0.3g～0.49g。强震水准下的建筑应保证不倒塌，不会发生引起安全事故的破坏。在BSL2009中，用标准基地剪力系数与地震区域系数反映了建筑结构抗震标准。日本的建筑结构抗震设计分为两个阶段，第一个阶段使用了容许应力法;第二阶段利用建筑对侧向力的承载力进行变形与延伸验算。

2.1.2 美国规范

美国目前使用的IBC2000规范是一套比较完整的规范，有效降低了美国地震带来的损失，例如在2001年，美国西雅图发生了7级地震，但是却没有造成一间房屋倒塌和一人死亡。

美国抗震规范主要是防止建筑结构在地震发生时生命力损失或失效。美国的抗震水准是以大震为代表，在一般设计时会折减为大震系数的2/3，通过利用不同延性等级的建筑来控制地震作用与建筑耗能。在建筑设计时，先要确定建筑的类型与所需延性，再计算出修正系数，制作出弹塑性反应谱。

2.1.3 中国规范

我国的抗震规范制定原则是“小震不坏，中震可修，大震不倒”，设计分为两个阶段。第一个阶段是模拟小震的情景，计算出建筑结构的弹性承载力，确保建筑结构有足够的强度，在此基础上采取一定措施;第二个阶段还需要对建筑结构进行弹塑性变形验算，保证结构不变形。在计算方法上，我国与日本、美国的方法差不多。

2.2 规范结构的抗连续倒塌计算

英国是最早开展建筑结构连续倒塌研究的，也逐渐退出了相关规定。例如英国的BS8110-1：1997以及欧洲的EN1991-1-7：2006等，而美国之后制定的规范GSA2003更加详细的规范了建筑抗连续倒塌的能力。目前建筑的抗连续倒塌设计有两种方法：第一直接方法，该方法要求建筑物的构建能够在建筑发生破坏后直接抵抗荷载;第二间接方法，该方法规定建筑在发生破坏时，破坏部位周边的结构能够分担传递过来的荷载，保证建筑不被建议不破坏，这种方法目前应用较为广泛。

3 抗震设计方法

3.1 静力理论

这一理论不考虑地震的动力特性与结构的动力性质，把建筑看作是一个不会变形的刚性建筑，在地震时也不会发生阻尼振动，地震力的作用点为建筑的中心。这是一种简化的设计方法。

3.2 反应谱理论

在地震时，建筑物的反应速度会比地面的运动加速度更大，因此反应谱理论计算出了建筑的地震反应，建立了建筑的速度、加速度、位移反应谱，接着再计算出建筑结构的内力，进而将立柱、墙体等构建的承载力设计出来。

3.3 动力时程理论

该理论将地震看作是一个时间段，在这一时间段内挑选一个最具代表性的加速度当作地震动输入，将建筑看作是自由度体系，建立一个结构回复模型，然后对动力方程进行积分计算，从而可以计算出建筑物在地震发生时每一刻的反应。这种方法比较复杂，计算量很大，并且在很多数据选取方面存在不足。

3.4 基于性能的抗震设计理论

如今通用的“大震不倒”的建筑原则是为了保护人们的生命安全，但是一旦地震发生以及灾后重建，经济的损失是在所难免的。因此在以后的设计中，不仅要保护人们的生命安全，还应该尽量减少地震所带来的经济损失，也就是基于性能的抗震设计。

设计者与业主可以根据自身的需求制定性能目标，在设计时对这些目标继续宁分析与论证，在此基础上对建筑结构进行合理的创新，例如采用新的结构体系、新材料等，非常灵活多变，能够根据不同的抗震要求采用不同的设计措施。如今，美国、日本等国家已经相继展开了对此理论的研究，也出台了相关的设计规范，当前的研究工作主要内容是：性能水准的确定与统一，如今的建筑结构设计水准有三个级别分别是：生命安全，确保建筑在遇到地震等情况时不倒塌;结构损伤，建筑在遇到地震后收到的损伤要保证能够修复;确保使用，建筑在遇到地震后不会发生影响继续使用的破坏或变形。而基于性能的抗震设计还需要在此基础上进一步细化准则。地震设防水准的确定于统一，如今的地震设防水准也分为三级，分别是最高设防水准;可遭受一次地震的水准与可遭受多次地震的水准，而基于性能的抗震设计同样还需要在此基础上进一步细化。可行的结构设计与分析方法，在细化多级水准后，还需要制定出与之相对应的结构设计与分析方法完善安全评估方法，基于性能的抗震设计的安全评估需要将静力推覆分析法与抗震能力分析法相结合。

4 结语

总而言之，架构抗倒塌问题是如今世界面临的共同问题，也是人们倍加关注的热门问题，本文结合了国内外今年发生的地震或爆炸，分析了建筑抗倒塌的设计原则与设计方法，希望相关研究人员能够继续努力，持续关注此问题，为我国的建筑事业献计献策。

参考文献：

[1] 何晗欣，刘健新.能力谱方法在桥梁抗震性能评估中的适用性[J].长安大学学报： 自然科学版.2009（04）：48-52.

[2] 滕军，李祚华，和雪峰.基于汶川震害分析的强地震作用下结构地震累积损伤研究[J].工程抗震与加固改造.2008（06）：7-12.