混凝土框架結構的抗連續性倒塌設計方法研究

相晶晶

（蘇州市城市建筑設計院有限責任公司，215000）

混凝土框架結構的抗連續性倒塌設計方法研究

相晶晶

（蘇州市城市建筑設計院有限責任公司，215000）

當前許多結構都是在正常荷載基礎上進行設計的，而一旦發生突發事件使得荷載增加，就會導致結構的抗連續倒塌能力不足，致使出現連續倒塌事故，給人們的生命安全和財產安全帶來了嚴重的威脅，基于以上，本文簡要分析了混凝土框架結構連續性倒塌的機理，并研究了其抗連續性倒塌的設計方法，旨在提升混凝土框架結構的穩定性。

混凝土框架結構 抗連續性倒塌 設計方法

前言

結構連續性倒塌實例很多，例如911事件中，美國世貿大樓的連續性倒塌，倫敦公寓連續性倒塌等等，這些連續性倒塌實例無一例外都對人們的生命和財產造成了巨大危害，只有加強結構的整體性和連續性才能夠提升其抗連續倒塌能力，本文以混凝土框架結構為例，對連續性倒塌機理和抗連續性倒塌設計方法進行了研究。

一、混凝土框架結構連續性倒塌的機理

在突發的偶然荷載下，混凝土框架結構局部構件的破壞而引起的一系列連鎖反應從而導致破壞蔓延，倒塌連續擴散，最終造成整個混凝土框架結構主體的承載能力喪失的現象就成為連續性倒塌。

連續性倒塌的形式主要有兩種，一種是體現在垂直方向的連續性倒塌，一種是體現在水平方向的連續性倒塌，相對應的引起原因是垂直方向上局部構件因偶然荷載引起的破壞和水平方向上局部構件因偶然荷載引起的破壞。

混凝土框架結構的連續性倒塌是一個不可逆的過程，局部構件失去承載能力后，即使荷載減小也不會使其恢復承載力。彎曲遭到破壞的界面不會恢復破壞前的彎曲承載力，機械鉸在此之后形成，其代表著一種不可逆過程，當整個混凝土框架結構出現機械鉸時，就會出現這種傾覆性的、不可逆的倒塌[1]。

二、混凝土框架結構抗連續性倒塌設計方法研究

（一）概念設計方法

（1）增加混凝土框架結構的冗余度

要想避免結構發生連續性倒塌，其基礎是具有足夠的備用荷載傳遞路徑，這就要求增加整個混凝土框架結構的冗余度，通過相關方案和布置構建多個荷載傳遞路徑，有效避免一些能夠引發倒塌的薄弱部位。通常來說，拆除構件是判斷其是否存在荷載傳遞路徑的主要方式，通過檢查拆除構件后剩余結構來確定備用荷載傳遞路徑是否存在，之后根據經驗判斷路徑是否具有相應的荷載承受能力。

（2）結構縫和加強構件的設置

在結構發生倒塌之后，很容易引發連鎖反應，造成連續性倒塌，因此應當積極控制倒塌后的破壞范圍，在結構上實現防連續性倒塌。其主要方式有設置結構縫和設置整體型加強構件來控制倒塌的影響范圍[2]。這樣即使局部發生倒塌，也可以將破壞范圍控制在一定程度內，避免倒塌的連續性，整體型加強構件是混凝土框架結構中的關鍵構件，因此要保證其的安全儲備。

（3）構件之間的連接構造

增強混凝土框架結構的整體性和冗余度是提升防連續性倒塌的關鍵，構件之間的連接構造能夠將構件互相連接成一個整體，由此可見構件之間的連接構造對于混凝土框架結構防連續性倒塌能力的提升至關重要。

例如，當混凝土框架結構的一根柱子失去承載力后，其支撐的梁要能夠跨越兩個柱子而不塌落，這就是混凝土框架結構整體性的具體體現，梁中的鋼筋有著抗拉強度，能夠將負荷傳遞到相鄰柱中。對于混凝土框架結構來說，在其結構周邊構建中通常進行縱向、橫向、以及豎向受力鋼筋的布置，以此來提升抗拉強度，實現了內部結構與外部結構的連接，確保了整個建筑結構的整體性。

（二）超靜定結構設計方法

混凝土框架結構在遇到特殊作用會產生過大的荷載，這種偶然性的過大負載會造成其局部構件的破壞，使其局部構件失去荷載傳遞路徑，超靜定結構設計能夠為混凝土框架結構構建提供二級荷載傳遞路徑，這樣在其遭到破壞時，雖然喪失了主要支撐構建的作用，但由于二級荷載路徑的存在，整體結構能夠在一定時間內保持穩定。此外，超靜定體系的應用能夠讓混凝土框架結構在多個部位形成塑性鉸，塑性鉸的形成會增加構件形成荷載傳遞路徑的幾率，荷載傳遞路徑形成就會提升被破壞構件的支撐能力[3]，從而進一步提升了混凝土框架結構的抗連續性倒塌能力。

（三）材料的選擇

混凝土框架結構遭到突發荷載影響而使構建破壞的原因主要是構件本身的極限承受能力小于突發荷載的作用力，在這種情況下，構件處于塑性狀態，從而出現破壞，致使其喪失承載能力。以豎向構件為例，其極限承載能力主要是由其塑性變形能力決定的，而其塑性變形能力與所使用的材料密不可分，因此在具體的設計過程中要選擇延性突出的材料用于各個構件以及各個單元和節點間的連接，以此來提升構件的塑性變形能力，防止構件發生脆性破壞。

（四）拉結強度設計方法

為了保證混凝土框架結構的整體性以及備用荷載傳遞路徑的承載能力，要對整個結構拉結強度進行科學的計算，保證拉結強度滿足相應的需求。在豎向構件遭到破會失去承載能力的時候，跨越豎向構件的橫向梁應當能夠有著足夠的承載能力，以此來避免連續倒塌的發生。

通常來說，跨越豎向構件的橫向梁極限承載力的確定機制有兩種：①梁機制：指的是在豎向構件變形較小的階段，跨越豎向構件框架橫向梁主要通過梁結構中形成的塑性鉸形成的抗彎承載力來提供極限承載力[4]；②懸鏈線機制：在豎向梁構件變形較大的階段，此時跨越豎向構件橫向梁中塑性鉸的抗彎承載力會遭到破壞而消失，而梁內縱向鋼筋軸會形成極限拉力的豎向分力，這個豎向分力將作為橫向梁的極限承載力，需要注意的是，縱向鋼筋在橫向梁的兩端支座中要具備足夠的錨固，以此來保證縱向鋼筋發揮的作用是連續不斷的。以上兩種機制一般不會同時出現，因此在確定跨越縱向構件橫向梁的極限承載力時可以選擇兩種機制中的承載力值較大的來衡量梁的極限承載力。

拉結強度的設計方法無需對整個混凝土框架結構進行分析，因此操作起來相對簡便，但在具體的計算中，其計算模型簡化，考慮的因素較少，因此相關參數的計算需要依靠計算著的經驗，這就制約了其在復雜結構中的使用，在復雜混凝土框架結構中使用的可靠性和經濟性可能存在問題。

設計方法中的基本假定：①假定豎向柱遭到破壞，跨越柱的橫向梁不僅要維持其極限承載力，還要具備直接傳遞到梁上的本層負荷承載力，保證一定的跨越能力；②橫向梁跨越能力的實現主要是通過橫向梁端以及跨中形成的塑性鉸來完成的；③對于變形較小階段的梁機制來說，為了計算的簡便性，通常不考慮跨中的正彎矩對極限承載力的貢獻，只是為了偏于安全保守的考慮橫向梁塑性鉸機制和負彎矩的貢獻[5]；④假定橫向梁的縱向鋼筋貫通，在變形大階段，則要考慮懸鏈線機制的作用；⑤橫向梁要有足夠的抗剪力，其梁端形成的塑性鉸要能夠實現足夠的變形。

結論：綜上所述，本文簡要分析了混凝土框架結構連續性倒塌的機理，并從概念設計方法、超靜定結構設計方法、拉結強度設計方法和材料選擇方法四個方面研究了混凝土框架結構抗連續性倒塌設計方法，旨在供設計人員在混凝土框架結構設計中借鑒，確保整個結構的安全性。

[1]陳超.鋼筋混凝土框架結構抗連續性倒塌分析[D].華南理工大學,2010.

[2]邢甫慶.混凝土結構抗連續性倒塌機理及其設計方法研究[D].合肥工業大學,2010.

[3]陸新征,李易,葉列平,馬一飛,梁益.鋼筋混凝土框架結構抗連續倒塌設計方法的研究[J].工程力學,2008,S2:150-157.

[4]周愛秋.鋼筋混凝土框架結構抗連續性倒塌數值分析[D].北京林業大學,2012.

[5]童少軒.鋼筋混凝土框架結構抗連續倒塌分析方法研究[D].西安建筑科技大學,2012.

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1007-6344（2015）12-0036-01