對新混凝土結構設計規范防連續倒塌設計的幾點認識

摘要：結構設計中保證安全是第一位的，針對《混凝土結構設計規范》GB50010-201O增加結構防連續防飼塌設計原則，并提出結構抵抗連續性倒塌的主要設計方法及要求，希望在結構設計中引起高度重視。

關鍵詞；混凝土 防連續倒塌 結構設計

中圖分類號；TU318 文獻標識碼；A 文章編號：1674-098X(2012)02(b)-0060-01

從2008年汶川地震可知，大量建筑物的連續倒塌，造成大量人員傷亡及經濟損失。因此，結構設計中應做到安全，防止建筑物倒塌是對安全的最大威脅，新施行的《混凝士結構設計規范》GB50010-2010適應現實要求，增加結構防倒塌設計原則，提高了結構在偶然作用下的抗災性能。

1結構連續性倒塌控制與設計的基本思想

1.1災害預測

突發事件是難以預測的，其發生的概率小但危險大，且事件發生的可能性正逐漸增加，減小結構遭受突發事件的影響值得學者與設計人員廣泛關注和慎重考慮。

1.2局部加強

一般情況下要求結構在突發事件下不發生局部破壞是不可取的，加強局部構件或連接對減小結構遭受突發事件的影響是有益的，但更重要的是提高結構整體抵抗連續性倒塌的能力，從而減少或避免結構因初始的局部破壞引發連續性的倒塌。

1.3提高結構整體性能

提高結構抵抗連續性倒塌的能力應著眼于結構的整體性能，即最低強度、冗余特性和延性等能力特征，一般可通過拉結力設計、備用荷載路徑分析及良好的構造要求等方法實現。

1.4區別對待不同結構體系

不同結構體系的整體抵抗連續性倒塌能力各異，應分別考察各類結構體系發生連續性倒塌的機理和能力特征。

2防倒塌設計的基本要求

2.1構件與連接的最低強度

結構在初始局部破壞后為達到新的穩定平衡而發生內力重分布，可能導致框架粱的彎矩反向，甚至在極限狀態下形成懸鏈線效應。這種內力需求在通常的結構設計當中是不予考慮的，而一旦出現這種內力需求，構件或連接往往因為強度過低而發生破壞，從而導致連續性破壞的擴展甚至倒塌。為此，有必要保證構件和連接在不同受力狀態下的最低強度，使得結構各部分能在極限狀態下“抱成一團”。

保證構件和連接的最低強度，以往的研究是通過拉結力設計來實現的，但對不同的結構體系，最低強度或承載力的要求一般各有側重。如鋼筋混凝土框架和剪力墻結構宜著重加強底部縱向受力鋼筋的分布并要求恰當的縱筋搭接構造，鋼框架宜充分保證粱柱連接的抗彎與抗拉強度；大跨空間結構則應保證受拉構件具備適當的受壓承載力。

2.2結構的冗余特性

結構冗余特性是指結構在初始的局部破壞下改變原有的傳力路徑，并達到新的穩定平衡狀態的能力特征。充分的結構冗余特性允許結構“跨越”初始的局部破壞而不向外擴展，從而避免連續性破壞或倒塌的發生。汶川地震后，對單跨框架、外廊式結構限制使用。

結構的冗余特性首先取決于結構體系的類型。無支撐框架主要取決于梁柱連接的剛度、樓層數和跨數。有支撐框架主要取決于支撐的數量和分布，以及適量的剛性梁柱連接構成的雙重防御機制。

2.3構件與連接的變形能力與延性特征

構件或連接的良好延性能力可顯著耗散能量，因此是減少結構發生連續性破壞的重要能力特征。局部構件在承載力不過多喪失的情況下，其塑性大變形將允許內力傳遞逐步轉移到其他構件上，從而實現內部冗余特性的充分發揮。適當的延性對提高結構的整體承載力具有顯著的影響。必要的延性是充分發揮結構內部冗余潛力的重要條件。當構件或連接的強度過低時，延性能力并不能避免發生局部斷裂或嚴重破壞的能力。

因此，結構構件必須具備足夠的連續性、冗余承載力和耗能能力能夠將初始局部破壞區域的荷載有效地傳遞到能夠承擔這些冗余荷載的周邊結構上，從而提高整體結構系統的穩定性。

3防倒塌設計的設計方法

3.1局部加強法

提高可能遭受偶然作用而發生局部破壞的豎向重要構件和關鍵傳力部位的安全儲備，也可直接考慮偶然作用進行設計。局部加強法是對多條傳力途徑交匯的關鍵傳力部位和可能引發大面積倒塌的重要構件通過提高安全儲備和變形能力，直接考慮偶然作用的影響進行設計。這種按特定的局部破壞狀態的荷載組合進行構件設計，是保證結構整體穩定性的有效措施之一。

3.2拉結力構件法

拉結力設計即要求構件和連接滿足最低的抗拉強度要求，且各相連構件形成的傳力路徑必須是直線的和連續的。設置豎直方向和水平方向通長的縱向鋼筋并應采取有效的連接、錨固措施，將整個結構連系成一個整體，是提供結構整體穩定性的有效方法之一。拉結構件法設計允許爆炸或撞擊造成結構局部破壞，在某個豎向構件失效后，使其影響范圍僅限于局部。按新的結構簡圖采用粱、懸索、懸臂的拉結模型繼續承載受力，按整個結構不發生連續倒塌的原則進行設計，從而避免結構的整體垮塌。

3.3拆除構件法

按一定規則拆除結構的主要受力構件，驗算剩余結構體系的極限承載力；也司采用倒塌壘過程分析進行設計。拆除構件法是按一定規則撤去結構體系中某部分構件，驗算剩余結構的抗倒塌能力的計算方法。可采用彈性分析方法或非線性全過程動力分析方法。

實際工程的防連續倒塌設計，應根擄具體條件進行適當的選擇。

4結構抗震設計在防倒塌設計中利用

抗震設計中提出的結構冗余特性和和接延性能力等要求，對提高結構的抵抗連續性倒塌能力是有益的。在尚未建立合適的抗倒塌設計方法時，采用有關抗震設計的方法是有效的。

兩者差別是，地震作用主要是水平向的，而連續性倒塌時結構主要承受豎向荷載；結構抗震時抗側力構件是主要的，樓板通常按剛性樓板假定考慮，而倒塌分析牛應考慮樓板的準確建模和薄膜效應機制，地震作用下構件反復受力而出現嚴重的強度與剛度退化，延性較差，倒塌設計時不必對這類參數作過多的折減。

因此，結構抗震設計方法的有益作用并不能使它可以取代抗倒塌設計，而應立足于結構連續性倒塌控制的自身特點，建立合適的評價方法和設計體系。

5結構防倒塌設計策略與加固措施

抗倒塌設計應當結合結構的力學特點提出明晰的設計策略，并采取合理有效的加強措施：合理設計樓層的平面布置，適當減小墻體和柱子的間距，以增強結構的整體性并減小墻體遭受局部破壞的影響；結構耳立面設計規則，力求構件內力傳遞連續而直接，并加強端部的錨固措施；增設樓板非跨度方向的受力主筋，一且樓板在跨度方向失去支承可以改變跨度方向繼續承擔荷載，同時保證主粱或承重墻體可以承擔樓板從非跨度方向傳遞的荷載；在框架頂層或中部樓層處增設跨間支撐，形成帽桁架或腰桁架的傳力機制，采用鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱等形式的構件，開發高溫抗火性能優良的新型結構用鋼及其型材。

8結語

防止結構連續性倒塌應當高度重視結構的整體性能以及相關的冗余特性、延性、連接強度和保障上述性能的構造措施。不同類型結構體系具有不同的倒塌特點，需要研究和制定不同的倒塌控制設計方法。