混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)方法研究

相晶晶

（蘇州市城市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，215000）

混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)方法研究

相晶晶

（蘇州市城市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，215000）

當(dāng)前許多結(jié)構(gòu)都是在正常荷載基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而一旦發(fā)生突發(fā)事件使得荷載增加，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力不足，致使出現(xiàn)連續(xù)倒塌事故，給人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重的威脅，基于以上，本文簡要分析了混凝土框架結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的機(jī)理，并研究了其抗連續(xù)性倒塌的設(shè)計(jì)方法，旨在提升混凝土框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

混凝土框架結(jié)構(gòu) 抗連續(xù)性倒塌 設(shè)計(jì)方法

前言

結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌實(shí)例很多，例如911事件中，美國世貿(mào)大樓的連續(xù)性倒塌，倫敦公寓連續(xù)性倒塌等等，這些連續(xù)性倒塌實(shí)例無一例外都對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大危害，只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性才能夠提升其抗連續(xù)倒塌能力，本文以混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，對(duì)連續(xù)性倒塌機(jī)理和抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。

一、混凝土框架結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的機(jī)理

在突發(fā)的偶然荷載下，混凝土框架結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的破壞而引起的一系列連鎖反應(yīng)從而導(dǎo)致破壞蔓延，倒塌連續(xù)擴(kuò)散，最終造成整個(gè)混凝土框架結(jié)構(gòu)主體的承載能力喪失的現(xiàn)象就成為連續(xù)性倒塌。

連續(xù)性倒塌的形式主要有兩種，一種是體現(xiàn)在垂直方向的連續(xù)性倒塌，一種是體現(xiàn)在水平方向的連續(xù)性倒塌，相對(duì)應(yīng)的引起原因是垂直方向上局部構(gòu)件因偶然荷載引起的破壞和水平方向上局部構(gòu)件因偶然荷載引起的破壞。

混凝土框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌是一個(gè)不可逆的過程，局部構(gòu)件失去承載能力后，即使荷載減小也不會(huì)使其恢復(fù)承載力。彎曲遭到破壞的界面不會(huì)恢復(fù)破壞前的彎曲承載力，機(jī)械鉸在此之后形成，其代表著一種不可逆過程，當(dāng)整個(gè)混凝土框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)機(jī)械鉸時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種傾覆性的、不可逆的倒塌[1]。

二、混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)方法研究

（一）概念設(shè)計(jì)方法

（1）增加混凝土框架結(jié)構(gòu)的冗余度

要想避免結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌，其基礎(chǔ)是具有足夠的備用荷載傳遞路徑，這就要求增加整個(gè)混凝土框架結(jié)構(gòu)的冗余度，通過相關(guān)方案和布置構(gòu)建多個(gè)荷載傳遞路徑，有效避免一些能夠引發(fā)倒塌的薄弱部位。通常來說，拆除構(gòu)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(gòu)件后剩余結(jié)構(gòu)來確定備用荷載傳遞路徑是否存在，之后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷路徑是否具有相應(yīng)的荷載承受能力。

（2）結(jié)構(gòu)縫和加強(qiáng)構(gòu)件的設(shè)置

在結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌之后，很容易引發(fā)連鎖反應(yīng)，造成連續(xù)性倒塌，因此應(yīng)當(dāng)積極控制倒塌后的破壞范圍，在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)防連續(xù)性倒塌。其主要方式有設(shè)置結(jié)構(gòu)縫和設(shè)置整體型加強(qiáng)構(gòu)件來控制倒塌的影響范圍[2]。這樣即使局部發(fā)生倒塌，也可以將破壞范圍控制在一定程度內(nèi)，避免倒塌的連續(xù)性，整體型加強(qiáng)構(gòu)件是混凝土框架結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件，因此要保證其的安全儲(chǔ)備。

（3）構(gòu)件之間的連接構(gòu)造

增強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體性和冗余度是提升防連續(xù)性倒塌的關(guān)鍵，構(gòu)件之間的連接構(gòu)造能夠?qū)?gòu)件互相連接成一個(gè)整體，由此可見構(gòu)件之間的連接構(gòu)造對(duì)于混凝土框架結(jié)構(gòu)防連續(xù)性倒塌能力的提升至關(guān)重要。

例如，當(dāng)混凝土框架結(jié)構(gòu)的一根柱子失去承載力后，其支撐的梁要能夠跨越兩個(gè)柱子而不塌落，這就是混凝土框架結(jié)構(gòu)整體性的具體體現(xiàn)，梁中的鋼筋有著抗拉強(qiáng)度，能夠?qū)⒇?fù)荷傳遞到相鄰柱中。對(duì)于混凝土框架結(jié)構(gòu)來說，在其結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)建中通常進(jìn)行縱向、橫向、以及豎向受力鋼筋的布置，以此來提升抗拉強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部結(jié)構(gòu)的連接，確保了整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的整體性。

（二）超靜定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

混凝土框架結(jié)構(gòu)在遇到特殊作用會(huì)產(chǎn)生過大的荷載，這種偶然性的過大負(fù)載會(huì)造成其局部構(gòu)件的破壞，使其局部構(gòu)件失去荷載傳遞路徑，超靜定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?yàn)榛炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)構(gòu)建提供二級(jí)荷載傳遞路徑，這樣在其遭到破壞時(shí)，雖然喪失了主要支撐構(gòu)建的作用，但由于二級(jí)荷載路徑的存在，整體結(jié)構(gòu)能夠在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。此外，超靜定體系的應(yīng)用能夠讓混凝土框架結(jié)構(gòu)在多個(gè)部位形成塑性鉸，塑性鉸的形成會(huì)增加構(gòu)件形成荷載傳遞路徑的幾率，荷載傳遞路徑形成就會(huì)提升被破壞構(gòu)件的支撐能力[3]，從而進(jìn)一步提升了混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌能力。

（三）材料的選擇

混凝土框架結(jié)構(gòu)遭到突發(fā)荷載影響而使構(gòu)建破壞的原因主要是構(gòu)件本身的極限承受能力小于突發(fā)荷載的作用力，在這種情況下，構(gòu)件處于塑性狀態(tài)，從而出現(xiàn)破壞，致使其喪失承載能力。以豎向構(gòu)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(shè)計(jì)過程中要選擇延性突出的材料用于各個(gè)構(gòu)件以及各個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)間的連接，以此來提升構(gòu)件的塑性變形能力，防止構(gòu)件發(fā)生脆性破壞。

（四）拉結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法

為了保證混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體性以及備用荷載傳遞路徑的承載能力，要對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)拉結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，保證拉結(jié)強(qiáng)度滿足相應(yīng)的需求。在豎向構(gòu)件遭到破會(huì)失去承載能力的時(shí)候，跨越豎向構(gòu)件的橫向梁應(yīng)當(dāng)能夠有著足夠的承載能力，以此來避免連續(xù)倒塌的發(fā)生。

通常來說，跨越豎向構(gòu)件的橫向梁極限承載力的確定機(jī)制有兩種：①梁機(jī)制：指的是在豎向構(gòu)件變形較小的階段，跨越豎向構(gòu)件框架橫向梁主要通過梁結(jié)構(gòu)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(jī)制：在豎向梁構(gòu)件變形較大的階段，此時(shí)跨越豎向構(gòu)件橫向梁中塑性鉸的抗彎承載力會(huì)遭到破壞而消失，而梁內(nèi)縱向鋼筋軸會(huì)形成極限拉力的豎向分力，這個(gè)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(fā)揮的作用是連續(xù)不斷的。以上兩種機(jī)制一般不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，因此在確定跨越縱向構(gòu)件橫向梁的極限承載力時(shí)可以選擇兩種機(jī)制中的承載力值較大的來衡量梁的極限承載力。

拉結(jié)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法無需對(duì)整個(gè)混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，因此操作起來相對(duì)簡便，但在具體的計(jì)算中，其計(jì)算模型簡化，考慮的因素較少，因此相關(guān)參數(shù)的計(jì)算需要依靠計(jì)算著的經(jīng)驗(yàn)，這就制約了其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的使用，在復(fù)雜混凝土框架結(jié)構(gòu)中使用的可靠性和經(jīng)濟(jì)性可能存在問題。

設(shè)計(jì)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(fù)荷承載力，保證一定的跨越能力；②橫向梁跨越能力的實(shí)現(xiàn)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(duì)于變形較小階段的梁機(jī)制來說，為了計(jì)算的簡便性，通常不考慮跨中的正彎矩對(duì)極限承載力的貢獻(xiàn)，只是為了偏于安全保守的考慮橫向梁塑性鉸機(jī)制和負(fù)彎矩的貢獻(xiàn)[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(jī)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?qū)崿F(xiàn)足夠的變形。

結(jié)論：綜上所述，本文簡要分析了混凝土框架結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的機(jī)理，并從概念設(shè)計(jì)方法、超靜定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、拉結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法和材料選擇方法四個(gè)方面研究了混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)方法，旨在供設(shè)計(jì)人員在混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中借鑒，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性。

[1]陳超.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌分析[D].華南理工大學(xué),2010.

[2]邢甫慶.混凝土結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌機(jī)理及其設(shè)計(jì)方法研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2010.

[3]陸新征,李易,葉列平,馬一飛,梁益.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法的研究[J].工程力學(xué),2008,S2:150-157.

[4]周愛秋.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌數(shù)值分析[D].北京林業(yè)大學(xué),2012.

[5]童少軒.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌分析方法研究[D].西安建筑科技大學(xué),2012.

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1007-6344（2015）12-0036-01