淺談混凝土結構防連續倒塌設計原則、要求及方法

摘 要：安全性是結構設計中的第一原則，本文就政府出臺的《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）中相關的結構設計原則，對混凝土結構防連續倒塌設計的原則、基本要求和主要方法進行了簡要探討，以期能夠對業界提供一定參考和借鑒。

關鍵詞：混凝土結構；防連續倒塌；設計原則；要求與方法

1 、設計原則

全面考慮，區別對待。事故的發生是無法預測的，并且具有概率小危害大的特征，隨著建筑業的發展，突發事件發生率也在逐漸上升。降低結構遭受突發事件的影響度是業界同仁必須重視的一個問題。不同結構體系具有不同的防連續倒塌能力，所以一定要具體問題具體分析，對各類結構體系的能力特征加以全面考查和分析。

立足全局，提高局部。必須要立足于結構整體性能來探討和分析結構防連續倒塌能力的提高，要具體以提高最低強度、冗余特性和延性能力等局部來實現，常見方法有拉結力設計、構造設計以及備用荷載路徑設計等。通常情況下，在突發事件下局部破壞是無法避免的，而加強局部防連續倒塌能力，無疑對降低突發事件對整體結構影響度具有重要作用，更為關鍵的是，局部加強能夠提高結構的整體能力，進而有效避免因局部破壞而導致的結構整體性連續倒塌的嚴重問題。

2、基本要求

2.1局部的最低強度要求

局部構件在受到破壞后為了實現新的平衡會產生荷載力重分，將會造成框架梁的彎矩反扭，甚至有可能導致懸鏈線效應。通常情況下，這種荷載力重分的問題并非設計過程中所需考慮的問題，而一旦發生這種情況，局部構件通常會由于強度不夠而遭到破壞，進而導致整體結構連續倒塌的嚴重后果。所以，在混凝土結構設計過程中，必須要確保局部構件的最低強度要求，確保局部構件在極限狀態下能夠發揮整體效應，避免全局連續倒塌現象發生。以往主要是通過拉結力設計來確保局部構件的最低強度的，但由于不同結構體系有著不同的防連續倒塌能力，所以不同強度要求要區別對待。比如，混凝土框架結構最好重點加強底部縱向受力鋼筋的分布，合理采取縱筋搭接的結構設計；鋼框架結構一定要確保梁柱連接的抗拉強度；大跨空間結構一定要確保受拉構建的最低強度，要確保具有一定的荷載能力。

2.2 結構冗余特性

所謂的冗余特性，主要是指結構遭到局部破壞后改變原有的受力分布以實現新的平衡狀態的能力特性，良好的冗余特性可以在局部遭到破壞后而避免向外擴展，進而有效確保了整體結構的平穩性，避免整體連續倒塌的問題出現。不同的結構體系具有不同的冗余特性，比如：無支撐框架的梁柱連接剛度、跨數和樓層數的不同決定了冗余特性的不同；有支撐框架結構的支撐數量、支撐分布以及雙重防御機制的不同決定了結構冗余特性的不同。

2.3 構件的變形能力與延性能力

良好的變形能力和延性能力具有非常好的耗散能量，所以是有效避免結構連續倒塌的重要能力特性。局部構件在承載力沒有大量丟失的狀態下，其自身的變形能力可以將內力傳遞和轉移到其他構件上，從而充分發揮結構內部的冗余特性，避免結構連續倒塌問題的發生。良好的延性能力能夠有效提高結構的整體承載力，是充分發揮結構內部冗余特性的必備條件。一旦構件最低強度無法達到要求時，延性能力并不會有效避免局部破壞問題的發生。所以，局部構件必須要具有足夠的冗余特性和耗散能力，一旦局部結構遭到破壞，能夠將承載力傳遞轉移到其他構件上，進而分散結構的整體承載力，實現結構新的平衡，確保整體結構體系的穩定性。

3、主要方法

3.1拉結力構件法

具體來講，拉結力設計就是要求構件具備最低的強度，并且構件連接所形成的內力路徑一定要是直線的，并確保其連續性。設置橫縱向通長的鋼筋并采取相應措施實現結構的整體連接，是確保結構整體穩定性的一大途徑。拉結力構件設計允許發生局部結構斷裂和破壞，一旦某一垂直方向構件遭到嚴重破壞并喪失荷載力，其影響范圍不會進一步擴散，而是被控制在局部。根據新的結構簡圖采用合理的拉結模型繼續結構承載力，堅持結構防連續倒塌原則加以合理設計，進而有效避免發生整體倒塌的嚴重后果。如圖如圖1所示。

3.2拆除構件法

按照一定規則將核心受力構件予以拆除，并對剩余構件所形成的極限承載力加以驗算；還可以根據倒塌全過程分析加以合理設計。該方法是根據一定規則拆除核心構件，驗算剩余結構體系防連續倒塌能力的一種驗算方法。在實際建筑工程混凝土結構的防連續倒塌設計過程中，一定要結合實際條件加以合理選擇，確保設計的科學性和安全性。

3.2局部加強法

局部加強法就是提高局部構件或關鍵傳力構件的承載力，屬于一種防患于未然的安全儲備方法，也可直接考慮偶然破壞加以設計。該方法是對關鍵傳力部位和關鍵核心構件通過提高變形能力和延性能力，直接考慮到局部破壞的偶然性而加以設計，這種根據特定局部破壞狀態實際加以結構設計的方法是確保結構整體穩定性的有效途徑和有效方法。

4、抗震設計的應用與加固措施

抗震設計中提出的結構冗余特性和連接延性能力等要求，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，而倒塌分析中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。

對樓層平面布置加以合理設計，盡量縮短墻體與柱子之間的距離，以此來實現結構整體穩定性，降低墻體遭受局部破壞的影響；在對結構平立面進行設計時，一定要確保構件內力傳遞的直線性和連續性，并通過相應措施加強端部強力；加大樓板非跨度方向受力主筋的密度，一旦樓板在跨度方向喪失承載力可以確保非跨度方向承載力的繼續，并確保主梁能夠承擔因局部遭到嚴重破壞而傳遞過來的所有內力；在框架頂層或中層加大支撐數量，形成雙重防御機制和和傳力機制；加大新型鋼結構的應用，全面采用鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱等形式的結構構件，確保結構的整體穩定性，提高結構的抗震能力和防連續倒塌能力。

參考文獻

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