建筑結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力的設(shè)計方法及改善措施

譚 年

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建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生倒塌是造成地震后建筑人員傷亡的主要原因，結(jié)構(gòu)倒塌一般具有連續(xù)性，即局部構(gòu)架失效并倒塌后，往往還會引起與這一構(gòu)件相鄰的其它構(gòu)件失效倒塌。為避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，必須做好抗倒塌設(shè)計，采用合理有效的設(shè)計方法與改善措施。

1 建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌與抗倒塌機制分析

為便于分析，現(xiàn)以某3層平面框架結(jié)構(gòu)為例進行分析，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)的1C3最先開始失效，失效之后，F(xiàn)3經(jīng)連梁傳遞至1C2、1C4，增大兩者內(nèi)力。當(dāng)內(nèi)力超出承載力時，開始失效，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌；若內(nèi)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]?，F(xiàn)針對后者開展分析。在這種情況下，F(xiàn)3經(jīng)連梁剪力傳遞至相鄰柱（見圖2），根據(jù)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(jié)構(gòu)倒塌的“梁機制”，即結(jié)構(gòu)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(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)抗震，在結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計過程中，對于框架梁，也必須嚴(yán)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(jié)構(gòu)抗倒塌；而若Rb最大值小于F3，則結(jié)構(gòu)受F3后，梁發(fā)生變形，塑性鉸開始轉(zhuǎn)動，梁端轉(zhuǎn)角 （表示為θi） 持續(xù)變大，在塑性鉸區(qū)內(nèi)，由于混凝土受壓，所以其壓應(yīng)變 （表示為εc）明顯增大。在壓應(yīng)變增加至極限值后，開始發(fā)生壓碎與脫落，導(dǎo)致自身與工作狀態(tài)完全脫離，由梁機制賦予的Rb失效。此外，隨著梁端轉(zhuǎn)角不斷變大，還會產(chǎn)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(jié)力。

在梁端還沒有和剛出現(xiàn)塑性鉸時，變形往往很小，而且由于梁端轉(zhuǎn)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(chǎn)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(fā)生變化，但由“懸鏈線”產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)壓碎，與工作狀態(tài)脫離，塑性鉸遭到破壞，導(dǎo)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(chǎn)生的抗力與θi成正比，所以隨著θi的增大，結(jié)構(gòu)抗力越大。當(dāng)這一抗力等于或高于F3時，結(jié)構(gòu)仍然不倒塌；而低于F3時，結(jié)構(gòu)將隨時發(fā)生倒塌。對由“懸鏈線”產(chǎn)生的抗力而言，除了和θi有關(guān)，還取決于貫通筋與節(jié)點錨固。

圖1 分析模型

圖2 梁機制

2 建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計與改善

根據(jù)以上對框架結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌和抗倒塌作用機制的分析，結(jié)合以往建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，提出建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計方法與相應(yīng)的改善措施。

（1） 一般建筑結(jié)構(gòu)體系不允許采用單跨形式的框架結(jié)構(gòu)。因為這種結(jié)構(gòu)體系如果框架柱最先開始失效，則無法提供拉結(jié)力，導(dǎo)致“懸鏈線”無法形成，只能由梁機制一者產(chǎn)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(xiàn)壓碎，與工作狀態(tài)脫離，塑性鉸遭到破壞，導(dǎo)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(jié)構(gòu)將直接倒塌。

（2） 通過對框架柱應(yīng)力度的有效控制來避免框架柱先于框架梁破壞失效。當(dāng)框架柱最先開始失效時，原上部荷載經(jīng)框架梁向相鄰柱傳遞，增大相鄰柱實際內(nèi)力。此時若相鄰柱有較高應(yīng)力度，則將難以承受新內(nèi)力，導(dǎo)致失效，最終產(chǎn)生嚴(yán)重后果。從另一個角度講，結(jié)構(gòu)抗力不僅和結(jié)構(gòu)冗余度有關(guān)，而且冗余度還會受到構(gòu)件應(yīng)力度影響。因此，在設(shè)計過程中必須控制好應(yīng)力度[4]。

（3） 框架梁設(shè)計中必須做到“強剪弱彎”，塑性鉸產(chǎn)生前梁不得受剪破壞。通過上述分析可知，當(dāng)框架柱最先開始失效時，原上部荷載經(jīng)框架梁向相鄰柱傳遞，增大相鄰柱實際內(nèi)力，此時框架梁若在塑性鉸產(chǎn)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(jié)構(gòu)“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(xiàn)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(shù)，這對增強結(jié)構(gòu)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(jié)點之間的錨固，因為這是確?！皯益溇€”順利產(chǎn)生并發(fā)揮預(yù)期作用的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

（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(yīng)變和θi成正比，隨著極限拉應(yīng)變的不斷增大，θi明顯變大，同時由“懸鏈線”產(chǎn)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(dāng)加密等。

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

3 結(jié)語

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

（2） 在結(jié)構(gòu)的抗倒塌設(shè)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(jié)構(gòu)；②對框架柱應(yīng)力度進行嚴(yán)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(jié)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(dāng)加密；④重視并做好結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。

[1] 張磊，許鎮(zhèn)，葉列平.基于局部譜形狀指標(biāo)調(diào)整結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力的預(yù)測結(jié)果[J].工程抗震與加固改造，2016（5）：9-15，26.

[2] 馬東輝.建筑結(jié)構(gòu)地震倒塌過程模擬與瓦礫堆積分布研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2016（7）：29-34.

[3] 盧嘯，楊蔚彪，張萬開.某超高層建筑不同抗側(cè)力體系抗震性能對比研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2016（4）：102-109.

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