淺談混凝土結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)原則、要求及方法

摘 要：安全性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的第一原則，本文就政府出臺(tái)的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）中相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的原則、基本要求和主要方法進(jìn)行了簡要探討，以期能夠?qū)I(yè)界提供一定參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)；防連續(xù)倒塌；設(shè)計(jì)原則；要求與方法

1 、設(shè)計(jì)原則

全面考慮，區(qū)別對(duì)待。事故的發(fā)生是無法預(yù)測的，并且具有概率小危害大的特征，隨著建筑業(yè)的發(fā)展，突發(fā)事件發(fā)生率也在逐漸上升。降低結(jié)構(gòu)遭受突發(fā)事件的影響度是業(yè)界同仁必須重視的一個(gè)問題。不同結(jié)構(gòu)體系具有不同的防連續(xù)倒塌能力，所以一定要具體問題具體分析，對(duì)各類結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)整體性能來探討和分析結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌能力的提高，要具體以提高最低強(qiáng)度、冗余特性和延性能力等局部來實(shí)現(xiàn)，常見方法有拉結(jié)力設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)以及備用荷載路徑設(shè)計(jì)等。通常情況下，在突發(fā)事件下局部破壞是無法避免的，而加強(qiáng)局部防連續(xù)倒塌能力，無疑對(duì)降低突發(fā)事件對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響度具有重要作用，更為關(guān)鍵的是，局部加強(qiáng)能夠提高結(jié)構(gòu)的整體能力，進(jìn)而有效避免因局部破壞而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)整體性連續(xù)倒塌的嚴(yán)重問題。

2、基本要求

2.1局部的最低強(qiáng)度要求

局部構(gòu)件在受到破壞后為了實(shí)現(xiàn)新的平衡會(huì)產(chǎn)生荷載力重分，將會(huì)造成框架梁的彎矩反扭，甚至有可能導(dǎo)致懸鏈線效應(yīng)。通常情況下，這種荷載力重分的問題并非設(shè)計(jì)過程中所需考慮的問題，而一旦發(fā)生這種情況，局部構(gòu)件通常會(huì)由于強(qiáng)度不夠而遭到破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的嚴(yán)重后果。所以，在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須要確保局部構(gòu)件的最低強(qiáng)度要求，確保局部構(gòu)件在極限狀態(tài)下能夠發(fā)揮整體效應(yīng)，避免全局連續(xù)倒塌現(xiàn)象發(fā)生。以往主要是通過拉結(jié)力設(shè)計(jì)來確保局部構(gòu)件的最低強(qiáng)度的，但由于不同結(jié)構(gòu)體系有著不同的防連續(xù)倒塌能力，所以不同強(qiáng)度要求要區(qū)別對(duì)待。比如，混凝土框架結(jié)構(gòu)最好重點(diǎn)加強(qiáng)底部縱向受力鋼筋的分布，合理采取縱筋搭接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；鋼框架結(jié)構(gòu)一定要確保梁柱連接的抗拉強(qiáng)度；大跨空間結(jié)構(gòu)一定要確保受拉構(gòu)建的最低強(qiáng)度，要確保具有一定的荷載能力。

2.2 結(jié)構(gòu)冗余特性

所謂的冗余特性，主要是指結(jié)構(gòu)遭到局部破壞后改變原有的受力分布以實(shí)現(xiàn)新的平衡狀態(tài)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(kuò)展，進(jìn)而有效確保了整體結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性，避免整體連續(xù)倒塌的問題出現(xiàn)。不同的結(jié)構(gòu)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(shù)和樓層數(shù)的不同決定了冗余特性的不同；有支撐框架結(jié)構(gòu)的支撐數(shù)量、支撐分布以及雙重防御機(jī)制的不同決定了結(jié)構(gòu)冗余特性的不同。

2.3 構(gòu)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(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的重要能力特性。局部構(gòu)件在承載力沒有大量丟失的狀態(tài)下，其自身的變形能力可以將內(nèi)力傳遞和轉(zhuǎn)移到其他構(gòu)件上，從而充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)內(nèi)部的冗余特性，避免結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌問題的發(fā)生。良好的延性能力能夠有效提高結(jié)構(gòu)的整體承載力，是充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)內(nèi)部冗余特性的必備條件。一旦構(gòu)件最低強(qiáng)度無法達(dá)到要求時(shí)，延性能力并不會(huì)有效避免局部破壞問題的發(fā)生。所以，局部構(gòu)件必須要具有足夠的冗余特性和耗散能力，一旦局部結(jié)構(gòu)遭到破壞，能夠?qū)⒊休d力傳遞轉(zhuǎn)移到其他構(gòu)件上，進(jìn)而分散結(jié)構(gòu)的整體承載力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)新的平衡，確保整體結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。

3、主要方法

3.1拉結(jié)力構(gòu)件法

具體來講，拉結(jié)力設(shè)計(jì)就是要求構(gòu)件具備最低的強(qiáng)度，并且構(gòu)件連接所形成的內(nèi)力路徑一定要是直線的，并確保其連續(xù)性。設(shè)置橫縱向通長的鋼筋并采取相應(yīng)措施實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體連接，是確保結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的一大途徑。拉結(jié)力構(gòu)件設(shè)計(jì)允許發(fā)生局部結(jié)構(gòu)斷裂和破壞，一旦某一垂直方向構(gòu)件遭到嚴(yán)重破壞并喪失荷載力，其影響范圍不會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)散，而是被控制在局部。根據(jù)新的結(jié)構(gòu)簡圖采用合理的拉結(jié)模型繼續(xù)結(jié)構(gòu)承載力，堅(jiān)持結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌原則加以合理設(shè)計(jì)，進(jìn)而有效避免發(fā)生整體倒塌的嚴(yán)重后果。如圖如圖1所示。

3.2拆除構(gòu)件法

按照一定規(guī)則將核心受力構(gòu)件予以拆除，并對(duì)剩余構(gòu)件所形成的極限承載力加以驗(yàn)算；還可以根據(jù)倒塌全過程分析加以合理設(shè)計(jì)。該方法是根據(jù)一定規(guī)則拆除核心構(gòu)件，驗(yàn)算剩余結(jié)構(gòu)體系防連續(xù)倒塌能力的一種驗(yàn)算方法。在實(shí)際建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)過程中，一定要結(jié)合實(shí)際條件加以合理選擇，確保設(shè)計(jì)的科學(xué)性和安全性。

3.2局部加強(qiáng)法

局部加強(qiáng)法就是提高局部構(gòu)件或關(guān)鍵傳力構(gòu)件的承載力，屬于一種防患于未然的安全儲(chǔ)備方法，也可直接考慮偶然破壞加以設(shè)計(jì)。該方法是對(duì)關(guān)鍵傳力部位和關(guān)鍵核心構(gòu)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(shè)計(jì)，這種根據(jù)特定局部破壞狀態(tài)實(shí)際加以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法是確保結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的有效途徑和有效方法。

4、抗震設(shè)計(jì)的應(yīng)用與加固措施

抗震設(shè)計(jì)中提出的結(jié)構(gòu)冗余特性和連接延性能力等要求，對(duì)提高結(jié)構(gòu)的抵抗連續(xù)性倒塌能力是有益的。在尚未建立合適的抗倒塌設(shè)計(jì)方法時(shí)采用有關(guān)抗震設(shè)計(jì)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(xù)性倒塌時(shí)結(jié)構(gòu)主要承受豎向荷載；結(jié)構(gòu)抗震時(shí)抗側(cè)力構(gòu)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(yīng)考慮樓板的準(zhǔn)確建模和薄膜效應(yīng)機(jī)制；地震作用下構(gòu)件反復(fù)受力而出現(xiàn)嚴(yán)重的強(qiáng)度與剛度退化，延性較差，倒塌設(shè)計(jì)時(shí)不必對(duì)這類參數(shù)作過多的折減。因此，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的有益作用并不能使它可以取代抗倒塌設(shè)計(jì)，而應(yīng)立足于結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌控制的自身特點(diǎn)，建立合適的評(píng)價(jià)方法和設(shè)計(jì)體系。

對(duì)樓層平面布置加以合理設(shè)計(jì)，盡量縮短墻體與柱子之間的距離，以此來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，降低墻體遭受局部破壞的影響；在對(duì)結(jié)構(gòu)平立面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要確保構(gòu)件內(nèi)力傳遞的直線性和連續(xù)性，并通過相應(yīng)措施加強(qiáng)端部強(qiáng)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(xù)，并確保主梁能夠承擔(dān)因局部遭到嚴(yán)重破壞而傳遞過來的所有內(nèi)力；在框架頂層或中層加大支撐數(shù)量，形成雙重防御機(jī)制和和傳力機(jī)制；加大新型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，全面采用鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱等形式的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，確保結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力和防連續(xù)倒塌能力。

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