建筑結構抗地震倒塌能力的設計方法及改善措施

譚 年

湖南百利工程科技股份有限公司，湖南岳陽 414000

建筑結構在地震作用下發生倒塌是造成地震后建筑人員傷亡的主要原因，結構倒塌一般具有連續性，即局部構架失效并倒塌后，往往還會引起與這一構件相鄰的其它構件失效倒塌。為避免這種現象的發生，必須做好抗倒塌設計，采用合理有效的設計方法與改善措施。

1 建筑結構連續倒塌與抗倒塌機制分析

為便于分析，現以某3層平面框架結構為例進行分析，如圖1所示。該結構的1C3最先開始失效，失效之后，F3經連梁傳遞至1C2、1C4，增大兩者內力。當內力超出承載力時，開始失效，導致結構倒塌；若內力沒有超出承載力，則不失效，但連梁承載力較低，也會造成倒塌[1]。現針對后者開展分析。在這種情況下，F3經連梁剪力傳遞至相鄰柱（見圖2），根據平衡條件可得：

式 （1） 中，Vi——連梁剪力；Mi——梁端彎矩；Li——連梁跨度。

以上即為能防止結構倒塌的“梁機制”，即結構抵抗F3的能力（表示為Rb） 主要由梁體抗剪能力賦予，可表示為：

式 （2） 中，Viu——梁體抗剪能力。

Rb最大值取決于梁體抗剪承載力與抗彎承載力。如果梁體受剪破壞比受彎破壞先發生，則Rb被受剪承載力所控；相反，如果梁體受彎破壞比受剪破壞先發生，則Rb被受彎承載力所控。由于受剪破壞屬于脆性過程，所以必須避免，如同建筑結構抗震，在結構抗倒塌設計過程中，對于框架梁，也必須嚴格遵循“強剪弱彎”的基本原則[2]。如果梁端彎矩等于塑性鉸彎矩，則由梁機制賦予的Rb最大值為：

式（3） 中，Mip——塑性鉸彎矩。若Rb最大值高于或等于F3，則將使結構抗倒塌；而若Rb最大值小于F3，則結構受F3后，梁發生變形，塑性鉸開始轉動，梁端轉角 （表示為θi） 持續變大，在塑性鉸區內，由于混凝土受壓，所以其壓應變 （表示為εc）明顯增大。在壓應變增加至極限值后，開始發生壓碎與脫落，導致自身與工作狀態完全脫離，由梁機制賦予的Rb失效。此外，隨著梁端轉角不斷變大，還會產生“懸鏈線”，其抗力 （表示為Rc） 一般用以下公式計算：

式（4） 中，Ti——拉結力。

在梁端還沒有和剛出現塑性鉸時，變形往往很小，而且由于梁端轉角幾乎保持不變，所以“懸鏈線”帶來的影響可以忽略不計，借助梁機制就能提高抗倒塌能力[3]。而梁端開始有塑性鉸之后，θi變化，產生“懸鏈線”的同時造成影響，但這一影響并不是不利于抗倒塌，反而對抗倒塌有一定積極作用，這是因為：

式（5） 中，Rbc為同時存在梁機制與“懸鏈線”時的抗倒塌力。其中，由梁機制賦予的抗力不會發生變化，但由“懸鏈線”產生的抗力卻與θi成正比，即為θi越大，Rc越高。

若由這兩種機制帶來的抗力等于或高于F3，則結構不倒塌；若由這兩種機制帶來的抗力小于F3，則梁開始變形，θi變大，直到超出限度而使混凝土出現壓碎，與工作狀態脫離，塑性鉸遭到破壞，導致彎矩快速喪失，最終使梁機制失效。在這種情況下，僅由“懸鏈線”提供抗力。由于由“懸鏈線”產生的抗力與θi成正比，所以隨著θi的增大，結構抗力越大。當這一抗力等于或高于F3時，結構仍然不倒塌；而低于F3時，結構將隨時發生倒塌。對由“懸鏈線”產生的抗力而言，除了和θi有關，還取決于貫通筋與節點錨固。

圖1 分析模型

圖2 梁機制

2 建筑結構抗倒塌設計與改善

根據以上對框架結構發生倒塌和抗倒塌作用機制的分析，結合以往建筑結構設計經驗，提出建筑結構抗倒塌設計方法與相應的改善措施。

（1） 一般建筑結構體系不允許采用單跨形式的框架結構。因為這種結構體系如果框架柱最先開始失效，則無法提供拉結力，導致“懸鏈線”無法形成，只能由梁機制一者產生抗力，增大了倒塌概率。如前所述，若由梁機制帶來的抗力小于F3，則梁開始變形，θi變大，直到超出限度而使混凝土出現壓碎，與工作狀態脫離，塑性鉸遭到破壞，導致彎矩快速喪失，使梁機制失效，此時由于沒有“懸鏈線”抗力，所以結構將直接倒塌。

（2） 通過對框架柱應力度的有效控制來避免框架柱先于框架梁破壞失效。當框架柱最先開始失效時，原上部荷載經框架梁向相鄰柱傳遞，增大相鄰柱實際內力。此時若相鄰柱有較高應力度，則將難以承受新內力，導致失效，最終產生嚴重后果。從另一個角度講，結構抗力不僅和結構冗余度有關，而且冗余度還會受到構件應力度影響。因此，在設計過程中必須控制好應力度[4]。

（3） 框架梁設計中必須做到“強剪弱彎”，塑性鉸產生前梁不得受剪破壞。通過上述分析可知，當框架柱最先開始失效時，原上部荷載經框架梁向相鄰柱傳遞，增大相鄰柱實際內力，此時框架梁若在塑性鉸產生前破壞，則不僅屬于脆性，而且無法形成對抗倒塌有利的梁機制。

（4） 對框架梁頂部縱向鋼筋進行通長配置。以上針對結構“懸鏈線”抗力的研究是以框架梁頂部縱向鋼筋沒有通長配置為背景的，若能實現通長配置，一方面將增大“懸鏈線”抗力，另一方面還能提高延性系數，這對增強結構整體抗倒塌能力是十分有利的。

（5） 必須強化梁低縱向鋼筋和節點之間的錨固，因為這是確保“懸鏈線”順利產生并發揮預期作用的關鍵基礎。

（6） 梁的縱向鋼筋必須具有良好延性。研究表明，對于梁的縱向鋼筋，其極限拉應變和θi成正比，隨著極限拉應變的不斷增大，θi明顯變大，同時由“懸鏈線”產生的抗力與θi成正比，所以抗力也顯著增大，對倒塌的抵抗越有利，并且還能提高一定延性。

（7） 采用其它能使θi增大的工程措施，比如對梁端箍筋進行適當加密等。

需要注意的是，以上設計方法與改善措施都是在結構抗倒塌前提下提出的，但和結構抗震設計卻有諸多類似點，說明抗震設計是提高結構抗倒塌能力的重要因素，相較于不考慮抗震設防的結構，考慮抗震設防的結構往往具有較強抗倒塌能力。

3 結語

（1） 對框架結構而言，梁機制是使結構產生抗倒塌能力的重要機制。同時，在可以提供一定拉結力的條件下，由梁端轉角不斷變大產生的“懸鏈線”也能賦予結構一定抗倒塌能力，繼而同時起到抗倒塌作用。

（2） 在結構的抗倒塌設計過程中，可采用以下有效方法與改善措施：①避免使用單跨形式的框架結構；②對框架柱應力度進行嚴格控制；③框架梁必須做到“強剪弱彎”，頂部通長配置有良好延性的縱向鋼筋，并強化與節點之間的錨固，此外在條件允許的情況下，可對梁端箍筋進行適當加密；④重視并做好結構的抗震設計。

[1] 張磊，許鎮，葉列平.基于局部譜形狀指標調整結構抗地震倒塌能力的預測結果[J].工程抗震與加固改造，2016（5）：9-15，26.

[2] 馬東輝.建筑結構地震倒塌過程模擬與瓦礫堆積分布研究[J].中國安全科學學報，2016（7）：29-34.

[3] 盧嘯，楊蔚彪，張萬開.某超高層建筑不同抗側力體系抗震性能對比研究[J].建筑結構學報，2016（4）：102-109.

[4] 劉斌，楊蔚彪，陸新征.剪力墻內支撐布置方案對超高層建筑結構抗震性能的影響[J].建筑結構，2016（3）：1-5.