钢筋混凝土建筑抗倒塌设计研究

张庆耀 刘鹏超 马小惠 庄园 刘旭明

摘  要：在我国快速发展的过程中，随着我国的经济在快速的发展，我国的建筑行业发展十分迅速，在近年来建筑产业的发展过程中，建筑倒塌问题愈发严重，受到了社会大众广泛的关注。基于此，文章针对钢筋混凝土建筑抗倒塌设计工作展开了详细地分析和研究。

关键词：连续倒塌;钢筋混凝土;结构破坏

引言

建筑物的连续倒塌是指由于部分结构或构件的破坏而引起的在水平方向或垂直方向上结构的连锁性破坏而造成的整个结构或大部分结构的倒塌现象。这种倒塌的结果通常要超过引起连续倒塌的偶然荷载本身所能够造成的损害，即结果与起因之间是一种不平衡的关系。因此，建筑物的连续倒塌往往会造成超乎人们想象的损害。本文参照国外的研究成果，并结合我国实际情况与现行设计规范，防止建筑连续倒塌的一般原则，在此基础上提出钢筋混凝土框架结构的防倒塌设计的一般思路与抗倒塌策略。

1建筑分类

建筑抗倒塌设计一般是指避免建筑在遭受煤气爆炸、炸弹爆炸、飞行器或大型汽车撞击等偶然事件时发生连续倒塌。这种偶然事件可能造成部分结构或构件破坏，如果结构不能耗散偶然荷载产生的能量或阻断破坏的发展，就会在垂直方向或水平方向引发连锁破坏，从而导致整个结构倒塌。建筑抗倒塌设计的困难首先是偶然事件的不确定性。因为此类偶然事件属人为失误或故意破坏造成的，它的不确定性远远高于地震和飓风等自然灾害的不确定性。目前，人们几乎无法预测建筑在使用周期内可能遇到此类偶然事件的具体情况，所以就无法为设计者提供详细的设计参数。显然，建筑抗倒塌设计采用常规的设计方法既不经济也不安全。但是，研究表明这种偶然事件和连续倒塌的風险是不能忽略的，并且其危险性正在增加。所以，建筑抗倒塌设计策略应该是：通过加强结构系统的整体性，增加结构的延性、连续性和赘余度，使结构具有“搭桥”能力和悬索作用，当部分构件破坏后能改变传力路线，将破坏限制在允许的范围内，达到避免建筑倒塌目的。

2钢筋混凝土建筑抗倒塌对策研究

2.1钢筋混凝土结构抵抗连续倒塌方法

在进行抗倒塌设计工作时，设计工作人员需要针对不同类别的建筑设定不同的设计工作目标，采用多种抗倒塌设计方式来进行对比，从中选择出最佳的设计方案。在建筑设计中，需要充分考虑到建筑体可能受到的自然灾害，明确建筑抗倒塌设计工作的前提条件。由于建筑体的初始布局及建筑的破坏性因素比较复杂，不同的初始设计布局会导致后续抗倒塌设计的不同结果。相关设计工作人员需要明确建筑体所能承受的最大破坏程度，在此基础上对整个钢筋混凝土结构的抗倒塌性能进行改进。

2.2防止连续倒塌的结构措施

面对建筑的连续倒塌，更重要的是从结构上采取措施，增强结构的冗余度、延性、连续性和整体性，以达到防止建筑连续倒塌的目的。（1）加强关键构件抵抗局部破坏的能力。加强关键构件的抗破坏能力是最为直接的方法。通过对于结构中容易受到外部威胁并且承担主要荷载的关键构件的加强，可以增强其抵抗破坏的能力是建筑物的局部破坏程度减到最小，从而达到防止连续倒塌的目的。（2）增加结构及构件的冗余度，改变荷载传递路径。建筑物连续倒塌的发生过程，由于结构局部破坏造成部分构件失效，该构件上部结构的原有传力途径被阻断，若不能形成新的传力途径，会产生连锁的破坏，最终造成建筑物倒塌。基于以上对连续倒塌的认识，如果结构具有充分的冗余度，在局部发生破坏以后，能够通过余下的构件，形成新的传力途径，就能够阻止连续倒塌的发生。（3）增强结构的延性。对于爆炸这样的偶然荷载，要使结构能够完全抵抗，而不发生破坏是不现实的。防倒塌设计的主要目的是最大限度的保护人员及财产，从而建筑发生较大的变形是允许的。重要的是整体结构能够通过个别构件的较大变形以充分爆炸荷载产生的能量，以达到法制连续倒塌的目的。这就需要结构构件具有充分的延性、整体性和连续性。对建筑进行分区，将破坏限制在独立的区域以内。这是一种反其道而行的方法。有些时候我们很难通过上面的方法是结构足我们的方方面面的要求，这是我们可以在结构上对于建筑进行分区，使各区域各自独立，各区域间联系并不紧密，当建筑受到局部破坏时，连续倒塌的发生由于各分区间薄弱层的阻断，使连续倒塌限定在单独的区域以内，从而保护了其余的分区。

2.3板柱结构抗倒塌研究概况

板柱结构作为一种常用的结构形式，特别是《建筑抗震设计规范》2011版扩大了板柱一抗震墙结构应用范围，可以预见板柱一抗震墙结构将会得到越来越多的运用。但对钢筋混凝土板柱结构抗倒塌研究的文献却很少见，特别是针对板柱结构遭遇柱破坏后，发生连续倒塌破坏的研究很少见诸文献。板柱结构的相关研究多见于对板柱节点抗震性能方面。有试验表明，有抗剪钢筋的板柱节点，其转动能力可以达到4%。但板柱节点的滞回曲线均为捏拢型，耗能能力差。国外的板柱一剪力墙结构理论体系中，多采用弹性分析得到层间位移上限值为1.5%-2%的结论。在遭遇强烈地震时，板柱一剪力墙结构体系的耗能机制和抗倒塌性能并未得到系统的研究。水平地震作用下，一个或者多个板柱节点发生冲切一弯曲破坏，板柱节点失效，如果板柱节点处传柱钢筋不能承载该节点处荷载（实际上《建筑抗震设计规范》为防止板掉落，对板柱节点处穿柱钢筋面积有要求），则板面掉落，板柱结构倒塌;柱失效后，原柱支承板面荷载分至相邻节点，可能导致相邻节点处冲切一弯曲破坏，从而结构发生倒塌;与水平地震作用不同的是，板柱结构柱失效后破坏，板面重力荷载可能具有更大的动力冲击性（竖向），而水平地震作用时（水平），板柱结构板面重力荷载的作用动力特征与之不同;相同的是，板柱节点处配置足够穿柱钢筋，对于节点破坏后的新荷载路径的形成具有重要意义。

结语

尽管建筑在其使用期内遭遇爆炸和恐怖袭击等偶然事件的可能性很小，可是由于此类偶然事件在建筑中产生的荷载往往超过建筑设计时的允许荷载，会在建筑中产生局部破坏，如果建筑没经过抗倒塌设计可能会发生连锁破坏甚至连续倒塌，使最终产生的破坏和危害大大超过初始破坏的范围。钢筋混凝土建筑设计工作要注重混凝土结构的抗倒塌设计工作，努力提高建筑体整体的安全性和结构的稳定性，保证人们居住的安全性。

参考文献

[1]  汪玉容.钢筋混凝土建筑结构的抗地震破坏倒塌能力评估研究[J].地震工程学报，2018，40（5）：919-925.

[2]  彭真真，古腾达.钢筋混凝土框架结构抗爆性能分析研究[J].山东工业技术，2018（14）：113.

[3]  JGJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程.河北理工大学硕士学位论文.