框架结构抗连续倒塌的设计方法与防范措施

2016-04-17杨益李荣轶宁翠萍

海峡科技与产业 2016年5期

杨益李荣轶宁翠萍

摘要：本文深入探讨了钢筋混凝土框架结构连续倒塌破坏的作用机理，对我国现行规范中抗连续倒塌设计的基本要求做了系统归纳，并对比研究了常用的4种结构抗连续倒塌设计的分析方法，通过软件建模验证这些方法的可靠性。最后结合工程实践，提出框架结构防止连续倒塌的预防措施。

关键词：框架结构；连续倒塌；拆除构件法；防范措施

随着我国建筑行业的快速发展，出现了一批安全等级较高的重点建筑，它们对抗震性、耐久性和可靠性都提出了更高的要求，在设计时除了常规的强度、刚度和稳定性的设计外，还应增加房屋结构的抗连续倒塌设计计算。我国这方面的研究起步较晚，在现行的混凝土结构设计规范[1]中和相關标准中，只给出了结构抗连续倒塌设计的基本原则，没有明确详细的设计步骤、方法、流程及设计参数等。因此，需要更深入研究分析结构抗连续倒塌问题，这里通过分析最为常见的钢筋混凝土框架结构，提出结构设计建议，有重要的研究价值。

1 国内外连续倒塌事件频发

1968年英国公寓“Ronan Point[2]”发生了一起爆炸事故，当时因一位居住在18楼住户的不慎引发了煤气爆炸，致使厨房拐角的一侧混凝土预制承重墙被炸碎，并从原位置解体脱落。这个竖向承重构件的失效导致该位置的楼板和墙体沿着整个建筑物侧面发生连续性倒塌坠落。

2003年，一幢位于湖南衡阳的商业大厦发生特大火灾。大厦周围有5根混凝土柱子在3个多小时的大火持续燃烧后丧失承载力，导致楼体突然发生连续倒塌，将正在救火的多名消防人员掩埋，倒塌面积约为3000平方米。随着此类事件的连续发生，造成巨大的经济损失，越来越多的人开始关注结构抗连续倒塌问题，后来便开展了对结构抗连续倒塌机理及其设计方法的研究工作。

2 连续倒塌的内涵及破坏机理

2.1内涵

美国土木工程协会对连续倒塌的定义是：“在连续构件体中由初期的局部破坏所牵连的渐进式蔓延并最终导致整个结构引起不对称的大面积倒塌”。结构的连续倒塌是偶然荷载引起的，并导致连锁反应向结构的周围部分扩散，结果造成结构主体大范围的坍塌。一般认为，如果结构的最后破坏形态和原始破坏不成比例，就可以称为“连续倒塌”。

2.2 破坏机理

连续倒塌破坏是一个结构体发生非线性动力变化的发展过程，荷载作用往往瞬间发生，引起结构非线性变形，并导致连续结果发生弯曲变形，当变形超过承受范围后构件便会失效，失效后，结构再也不可能恢复到初始的平衡状态。从弹塑性理论分析可知，结构塑性铰是可逆的，然而发生弯曲破坏后的截面形成机械铰，而结构的机械铰是不可逆的过程，不能恢复弯曲承载力，与结构实际倒塌过程是相符合的。所以，建筑结构的倒塌机理可理解为：如果足够多的机械铰出现在结构体系中，形成了不可恢复的可变机构后，结构将会发生连续倒塌。

引起结构连续倒塌的原因是多种多样的，例如不可预见的偶然荷载作用：火灾、车辆撞击、煤气爆炸、炸弹袭击以及设计与施工中的人为失误等。近几年，海啸、地震等自然灾害偶尔发生，恐怖分子的袭击频繁出现，这些偶然事件的发生概率相比过去是增大了，导致结构发生连续倒塌的几率也就增大了。

3 框架结构抗连续倒塌的设计方法

3.1 概念设计

胡庆昌[3]等人提出：在结构隔震减震设计中应充分考虑地震荷载和风荷载的影响，使得结构具备良好的延性与整体性，则能够在一定程度上抵御连续倒塌事故。所以，在设计采时用一些概念性的设计措施可以有效提高抗震性，保证结构安全。具体措施如下：结构选型对称、布置合理，尽量避免产生薄弱部位；提高构造连接的整体性和连续性；设置多道荷载传递路径以增大结构冗余度；积极提倡使用延性能力优良的建筑材料，保证延性构造措施到位；应考虑反向荷载对减弱振动的影响；充分发挥楼板、梁的悬链线作用等。

3.2 拉结强度法

拉结强度法是通过对结构构件增加拉结连接，提供多道荷载传递路径，可以保证结构整体性不受破坏。具体可以采用梁-拉结模型、悬索-拉结模型以及悬臂-拉结模型等，一些学者也将这种方法归类为一种量化的概念设计方法。

3.3 拆除构件法

拆除构件法[4]是一种对结构抗连续倒塌能力评估的常用手段，依据一定的拆除顺序，将结构物的某一根柱、墙等构件拆除，或者将几根柱、墙构件一次拆除，可以模拟真实工况，并对剩余结构进行承载能力和变形能力分析。规范指出，应该顺着结构底层外边缘，先拆除长边中柱（或墙）、再拆除短边中柱（或墙）、后拆除角柱（或墙）构件，并对剩余结构进行非线性静力分析和非线性动力分析。这种方法的优点是能够较为准确真实地模拟结构连续倒塌的渐进过程，不受意外荷载形式的限制，能够较好地评估结构的抗倒塌能力。

3.4 关键构件法

一些不能采用拆除构件法分析的特殊构件，如果其倒塌会引起结构大面积的倒塌，则判断此构件应考虑设计成“关键构件”。欧洲规范指出，关键构件在设计上应在原有荷载数值基础上增加34kN/m2，增加的额外荷载是“Ronan Point”公寓承重墙的失效荷载。这个荷载不能保证不被超越，但基于此方法能够加强结构整体稳定性和安全度，从而在一定程度上实现了控制结构发生连续倒塌概率的目的。

4 防止结构连续倒塌的防范措施

4.1 控制偶然事件

偶然事件是由于偶然荷载的发生而引起的，偶然荷载的影响因素很多，例如：建筑物的面积大小、人员流通情况、车辆及易燃易爆品是否容易接近等。高效地控制偶然事件的发生概率是防止结构连续倒塌的第一道放线，也是最有效地最根本的办法。具体措施：提高安保人员的安全意识教育，加强安全检查，加强建筑周边的巡逻，防止出现人体炸弹等恐怖袭击事件；通过设置隔离防护带防止意外车辆的撞击事件；通过对公众场所携带易燃易爆品的检查，杜绝燃气爆炸事件。

4.2 解除结构引起局部破坏的诱因

对那些不可避免的偶然事件发生时，解除结构发生局部破坏的诱因成为抗连续倒塌手段的第二道防线。具体措施有：

（1）避免将抗连续倒塌设防高的结构建设在储存易燃易爆品的仓库或场地附近；

（2）结构平面布置应该规则、对称、简单。一些“L”形、“U”型等不规则形状的建筑抗倒塌能力较差。

（3）结构竖向设计时应规则统一，避免突变部位，避免因竖向刚度间断出现薄弱层。

（4）紧急出口的布置应该分散均匀，并要求远离易燃易爆危险区域。

（5）梁跨、柱距应布置合理，不宜过大过高。采用现浇连续梁板提高结构耗能能力。

（6）结构层高宜低不宜高，因为当楼板或主梁突然倒塌时，柱子由于丧失侧向支撑会导致计算长度突然增大，此时引起连续倒塌发生的几率大大提高。

（7）在条件许可的情况下，适宜提高结构底层设计标高，避免意外爆炸或车辆撞击发生的可能性。

（8）通过设置变形缝（伸缩缝、沉降缝及抗震缝），将结构划分区域，各个区域内又可划分成多个功能区。这样即使发生倒塌事件，不会波及其他，将破坏限制在小区域内。

（9）禁止结构的主要受力构件暴露在外，应采用碳纤维布等韧性材料外包保护。

（10）合理设计、固定管道设备、通风空调等，避免发生设备管线偶然坠落伤人的事件。