結構工程抗倒塌設計探討

姚定釗

摘 要：本文主要闡述了在地震等災害下結構坍塌的原因，論述了目前倒塌結構存在的各項問題，總結了目前的倒塌結構破壞規律與防止倒塌的措施，希望能為抗倒塌工程的建設提供幫助。

關鍵詞：結構工程;抗倒塌;設計

世界上每年都會因為各種原因發生各種的建筑倒塌事件，給人們的生命與財產安全帶來了嚴重的影響。因此研究結構工程的坍塌規律，提高建筑在地震、爆炸等外界因素作用下的抗倒塌能力就顯得格外重要。現在的抗倒塌設計有兩種，一種是為了抵抗地震的設計;另一種是抵抗爆炸的設計。地震能帶來嚴重的人員傷亡與財產順勢，例如1976年的唐山大地震，共造成24.28萬人死亡，損失150億美元;而恐怖襲擊等發生的爆炸也一樣會帶來損失，同時還會引起社會恐慌，例如美國世貿大廈在2001年受到基地組織的襲擊而倒塌，造成了3225人死亡或失蹤，損失經濟450億美元。這類事故不勝枚舉，人們也在逐年加強建筑結構的穩定性，但目前仍沒有較好的解決辦法。

1 結構倒塌類型及特點

1.1 地震

1.1.1 砌體結構

在我國，砌體結構占了相當大的一部分，砌體結構的倒塌效果如圖1所示：

圖1 砌體結構的倒塌效果

根據汶川地震的調查顯示，許多砌體結構的建造并不合理，許多建筑為了節省材料與增加空間都沒有設置立柱和圈梁，而有的設置了立柱與圈梁的卻因為配筋不正確等因素也在地震中坍塌了;結構上下層的剛度不同，導致剛度低的樓層先被壓塌而后引發坍塌，因此在建筑設計中要把握好結構層的剛度;目前有的建筑為了節約成本所使用的材料不達標，空心板連接不到位等。

1.1.2 混凝土結構

我國城市中大多是混凝土結構，混凝土結構坍塌效果如圖2所示：

圖2 混凝土結構坍塌效果

混凝土結構倒塌的原因是：地區建筑的抗震強度不足以應對實際地震的強度;樓層的剛度不協調，導致高剛度的樓層壓垮了低剛度的樓層;有的框架結構沒有遵從“強柱弱梁”的建造原則，在發生地震時，柱體遭到破壞而引發坍塌，雖然在實際建筑中很難實現強柱弱梁，但是也需要考慮如何加強柱體的強度，讓其在地震時不那么快發生柱鉸，讓內部人員有時間逃離。

1.1.3 鋼結構

鋼結構的抗震性是最好的，破壞效果如圖3所示：

圖3 破壞效果

汶川地震后，有57%的輕鋼結構可以直接被再次使用，而其余43%也可以在加固后加以使用。輕鋼結構由于節點處需要許多焊縫，而受力處也恰恰是節點處，因此在地震時也難免會發生斷裂，但是輕鋼結構也要遵從強柱弱梁的建筑原則。

1.2爆炸沖擊

爆炸沖擊引發的建筑坍塌事故正在逐年增多，當爆炸發生時，炸彈、飛機等撞擊到建筑局部，導致建筑物荷載受力傳遞發生改變，其余構建無法承受傳遞過來的力而發生坍塌。如圖4所示：

圖4 爆炸沖擊坍塌

2 抗倒塌設計的原則

2.1 地震發生時的抗倒塌計算

2.1.1 日本規范

日本是世界上地震發生頻率較高的國家，因此對建筑抗震有很深的研究，日本在2009年推出了抗震規范BSL2009，有效降低了地震帶來的損失。BSL2009中將地震分為兩個水準：第一中震，中震是指地震加速度在0.08g～0.19g，在建筑壽命內發生一定次數的地震。終中震水準規定，建筑結構不允許有破壞，非結構建筑可以有不發生危險的破壞;第二強震，強震在建筑壽命內只能發生一次，振動加速度為0.3g～0.49g。強震水準下的建筑應保證不倒塌，不會發生引起安全事故的破壞。在BSL2009中，用標準基地剪力系數與地震區域系數反映了建筑結構抗震標準。日本的建筑結構抗震設計分為兩個階段，第一個階段使用了容許應力法;第二階段利用建筑對側向力的承載力進行變形與延伸驗算。

2.1.2 美國規范

美國目前使用的IBC2000規范是一套比較完整的規范，有效降低了美國地震帶來的損失，例如在2001年，美國西雅圖發生了7級地震，但是卻沒有造成一間房屋倒塌和一人死亡。

美國抗震規范主要是防止建筑結構在地震發生時生命力損失或失效。美國的抗震水準是以大震為代表，在一般設計時會折減為大震系數的2/3，通過利用不同延性等級的建筑來控制地震作用與建筑耗能。在建筑設計時，先要確定建筑的類型與所需延性，再計算出修正系數，制作出彈塑性反應譜。

2.1.3 中國規范

我國的抗震規范制定原則是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，設計分為兩個階段。第一個階段是模擬小震的情景，計算出建筑結構的彈性承載力，確保建筑結構有足夠的強度，在此基礎上采取一定措施;第二個階段還需要對建筑結構進行彈塑性變形驗算，保證結構不變形。在計算方法上，我國與日本、美國的方法差不多。

2.2 規范結構的抗連續倒塌計算

英國是最早開展建筑結構連續倒塌研究的，也逐漸退出了相關規定。例如英國的BS8110-1：1997以及歐洲的EN1991-1-7：2006等，而美國之后制定的規范GSA2003更加詳細的規范了建筑抗連續倒塌的能力。目前建筑的抗連續倒塌設計有兩種方法：第一直接方法，該方法要求建筑物的構建能夠在建筑發生破壞后直接抵抗荷載;第二間接方法，該方法規定建筑在發生破壞時，破壞部位周邊的結構能夠分擔傳遞過來的荷載，保證建筑不被建議不破壞，這種方法目前應用較為廣泛。

3 抗震設計方法

3.1 靜力理論

這一理論不考慮地震的動力特性與結構的動力性質，把建筑看作是一個不會變形的剛性建筑，在地震時也不會發生阻尼振動，地震力的作用點為建筑的中心。這是一種簡化的設計方法。

3.2 反應譜理論

在地震時，建筑物的反應速度會比地面的運動加速度更大，因此反應譜理論計算出了建筑的地震反應，建立了建筑的速度、加速度、位移反應譜，接著再計算出建筑結構的內力，進而將立柱、墻體等構建的承載力設計出來。

3.3 動力時程理論

該理論將地震看作是一個時間段，在這一時間段內挑選一個最具代表性的加速度當作地震動輸入，將建筑看作是自由度體系，建立一個結構回復模型，然后對動力方程進行積分計算，從而可以計算出建筑物在地震發生時每一刻的反應。這種方法比較復雜，計算量很大，并且在很多數據選取方面存在不足。

3.4 基于性能的抗震設計理論

如今通用的“大震不倒”的建筑原則是為了保護人們的生命安全，但是一旦地震發生以及災后重建，經濟的損失是在所難免的。因此在以后的設計中，不僅要保護人們的生命安全，還應該盡量減少地震所帶來的經濟損失，也就是基于性能的抗震設計。

設計者與業主可以根據自身的需求制定性能目標，在設計時對這些目標繼續寧分析與論證，在此基礎上對建筑結構進行合理的創新，例如采用新的結構體系、新材料等，非常靈活多變，能夠根據不同的抗震要求采用不同的設計措施。如今，美國、日本等國家已經相繼展開了對此理論的研究，也出臺了相關的設計規范，當前的研究工作主要內容是：性能水準的確定與統一，如今的建筑結構設計水準有三個級別分別是：生命安全，確保建筑在遇到地震等情況時不倒塌;結構損傷，建筑在遇到地震后收到的損傷要保證能夠修復;確保使用，建筑在遇到地震后不會發生影響繼續使用的破壞或變形。而基于性能的抗震設計還需要在此基礎上進一步細化準則。地震設防水準的確定于統一，如今的地震設防水準也分為三級，分別是最高設防水準;可遭受一次地震的水準與可遭受多次地震的水準，而基于性能的抗震設計同樣還需要在此基礎上進一步細化。可行的結構設計與分析方法，在細化多級水準后，還需要制定出與之相對應的結構設計與分析方法完善安全評估方法，基于性能的抗震設計的安全評估需要將靜力推覆分析法與抗震能力分析法相結合。

4 結語

總而言之，架構抗倒塌問題是如今世界面臨的共同問題，也是人們倍加關注的熱門問題，本文結合了國內外今年發生的地震或爆炸，分析了建筑抗倒塌的設計原則與設計方法，希望相關研究人員能夠繼續努力，持續關注此問題，為我國的建筑事業獻計獻策。

參考文獻：

[1] 何晗欣，劉健新.能力譜方法在橋梁抗震性能評估中的適用性[J].長安大學學報： 自然科學版.2009（04）：48-52.

[2] 滕軍，李祚華，和雪峰.基于汶川震害分析的強地震作用下結構地震累積損傷研究[J].工程抗震與加固改造.2008（06）：7-12.