RC 框架結構基于抗連續倒塌破壞機制的對策研究

劉歡歡 麻 琳

（洛陽理工學院， 河南 洛陽 471000）

關鍵字：RC 框架結構；連續倒塌；倒塌破壞機制；對策

0 引言

結構的連續倒塌是指由于偶然荷載（如爆炸、沖擊、火災、地震等）的作用而導致構件初始破壞失效后，這種破壞不斷擴展而導致整個結構發生倒塌，最終的破壞與初始局部破壞之間的不成比例是連續倒塌的顯著特點[1]。我國規范[2][3]中逐漸體現了結構抗連續倒塌的設計思路，但多為概念設計，系統性欠缺。CECS392:2014）[4]較為系統和深入地總結了我國連續倒塌研究的成果，標志著工程結構的連續倒塌設計具備了可操作性。本文著眼于抗連續倒塌的破壞機制展開對RC 框架結構的抗連續倒塌對策分析，豐富了連續倒塌相關研究內容。

1 連續倒塌破壞模式及失效準則

豎向連續倒塌和混合連續倒塌是針對RC 框架結構的兩種主要的連續倒塌模式[5]。豎向連續倒塌指發生初始損傷后，造成的破壞只在豎直方向發生，RC 框架結構中的柱由于初始破壞失效后，不平衡荷載通過與其相連的框架梁傳遞至相鄰柱，造成梁構件破壞，由于相鄰柱剛度足夠大，不平衡荷載由柱傳遞至引起上部結構，從而引起豎直方向的坍塌；混合連續倒塌是指倒塌破壞方向除了豎直方向還包括水平方向，RC 框架柱發生破壞失效后，同層的某些相鄰柱由于抗側移剛度不足而導致同層其他的水平梁發生連續倒塌破壞，即破壞沿著水平方向發展，同時某些柱由于抗側移剛度足夠大導致豎直方向的破壞，兩者混合發生，彼此影響。

結構發生破壞的程度大小決定了結構是否發生連續倒塌破壞，因此需要規定最終的倒塌破壞標準。目前強度準則、變形準則、機構準則、疲勞破壞準則等倒塌失效準則已被提出[6]，針對目前常用的拆除構件法，建筑結構抗倒塌設計規范（CECS392:2014）主要采用了強度準則和變形準則，兩個失效準則屬于構件層次，失效范圍縮小至構件有利于可操性；強度準則的適用條件局限于線性靜力分析方法，相比而言，非線性動力分析方法可能誤差較小，因此針對RC 框架結構的連續倒塌判別，盡可能采用多維度多層次的判別方法。

2 RC 框架結構抗連續倒塌的受力機理

由兩根梁和三根柱組成的梁柱子結構，中柱遭遇破壞后退出工作，假定柱能夠提供足夠的支撐約束而不破壞，體系共同抵抗不平衡荷載，直至梁構件發生連續倒塌破壞。梁作用階段和懸索階段是子結構必經的連續倒塌階段[7]，對于RC 框架結構的板則經歷了薄膜作用。

2.1 梁作用階段

周育瀧[8]等人認為此階段結構抵抗倒塌的抗力主要由梁截面彎矩提供，失效柱的附近梁截面提供正彎矩，此區域產生裂縫，中性軸上移，而遠離失效柱的梁端截面提供負彎矩，同時產生裂縫，中性軸下移，此過程相當于壓拱作用抵抗不平衡荷載，因此需要與梁相連接的柱能夠提供足夠的水平約束來保證壓拱作用的發揮，隨著截面承受的彎矩繼續增大，塑性鉸形成后，壓拱作用逐漸減弱，直至退出梁作用階段。

2.2 懸索作用階段

隨著連續倒塌進程發展，結構進入大變形階段，此時混凝土裂縫發展充分而失去作用，梁內主要依靠縱向受力筋提供軸力，以此抵抗不平衡荷載。當所有鋼筋達到屈服強度，受壓區混凝土達到抗壓極限而破壞失效，由抗力與截面拉力之間的平衡關系和豎向位移與構件應變間的關系，得到懸索階段開始時子結構的抗力表達式；隨著塑性鉸的發展，子結構仍能承受外荷載，縱向受力鋼筋達到抗拉強度時，截面抗力最大，直至鋼筋截面發生頸縮破壞，宣告連續倒塌進程結束，由抗力與截面拉力之間平衡關系得到最終的抗力值。

2.3 薄膜作用階段

板和梁柱在RC 框架結構抵抗連續倒塌過程中共同抵抗不平衡荷載，針對板的連續倒塌受力機理研究局限在數值模擬和試驗。實踐證明[9][10]，板與梁柱共同參與抵抗RC 框架結構的連續倒塌過程，大大提高了抵抗連續倒塌的能力。在連續倒塌起初，板內截面主要承擔截面彎矩，表現為受壓薄膜內力，隨著連續倒塌進程發展，板內的薄膜內力形式可能發生改變，可以從受壓的薄膜內力轉化為受拉的薄膜內力，依靠板內受拉鋼筋提供。

3 基于抗連續倒塌破壞機制的對策

3.1 采用強度高的混凝土和鋼筋

以上分析可知，梁構件在梁作用階段主要由混凝土和鋼筋共同承受截面彎矩，其中混凝土的強度大小決定了此階段持續的長短，因此可采用質量輕、強度大的新型混凝土材料來彌補普通混凝土的強度不足；另外，梁構件縱筋在梁作用階段也參與抵抗截面彎矩，但受拉性能的充分發揮主要體現在抗連續倒塌的懸索階段，因此，鋼筋的強度大小主要影響梁構件連續倒塌破壞發生的先后，適當增大鋼筋的抗拉強度將延緩連續倒塌破壞的發生，對結構來說是有利的。

3.2 增加多余約束

增加多余約束能有效增加結構的超靜定次數，超靜定結構除了能抵抗不平衡荷載之外，同時能夠保證結構的幾何不變體系特性，當某構件遭遇破壞時可由剩余體系抵抗不平衡荷載。可采用以下手段增加多余約束：一是設置數目適量的受力構件[11]，以提供足夠的備用傳力路徑，當某些受力構件遭破壞失效后，通過剩余多個構件發揮梁作用、懸索作用共同抵抗不平衡荷載；二是避免簡支梁的設計，注意結點約束的處理，通過增加多余約束的數量來保證受力機制的發生。

3.3 增強柱的側移剛度

在RC 框架結構中通過加強柱的設計能夠預防混合式連續倒塌的發生，由于增強柱的側移剛度從一定程度上使柱端產生較大彎矩，保證柱在梁之后發生破壞，即發生豎向連續倒塌的幾率高于混合式連續倒塌；同時，提高側移剛度保證了柱端大變形的能力，通過為相連的梁端提供足夠的水平約束力而促進壓拱作用的發生，有利于梁作用的發揮。可通過以下手段進行提高：一是選取恰當的截面形式；二是宜適當增加底層柱的縱向配筋的最小配筋率，并符合相關規范規定；三是強化梁柱節點，保證梁柱之間的不平衡荷載有效傳遞。

3.4 增強梁縱筋的錨固

在懸索階段，混凝土完全失效，結構主要通過梁截面內縱向鋼筋的拉力提供抗力，因此保證鋼筋拉力的充分發揮至關重要。可通過以下手段增強：一是確保受力縱筋通長布置在梁內，這是懸索作用發揮的基本條件；二是縱筋兩端錨固到梁柱節點的混凝土中時確保足夠的錨固長度，在結構設計中應考慮符合抗連續倒塌要求的的錨固長度，通過提供足夠的水平約束力保證鋼筋的軸向拉力逐漸增強，達到抗拉強度極限后破壞。

3.5 加強板的連續性

結構抵抗連續倒塌的過程中不可忽視板的重要作用，提高其連續性能更好發揮與梁柱的協同作用。可采取以下手段：一是要求板與梁的連接盡量采用現澆的方式，以提供足夠的水平約束來保證薄膜壓力的發生；二是板內配筋雙層雙向布置，使發生連續倒塌破壞時提供可發生的內力支持；三是板周圍梁的支承采用四邊支承的方式，其優于三邊支承和兩邊支承的方式，板被四邊支承時形成兩個方向的約束，有助于雙向薄膜內力的發揮。

4 結語

本文主要從破壞模式及失效準則和受力機理兩個方面總結了RC 框架結構在連續倒塌過程中的破壞機制，在此基礎上提出RC 框架結構抵抗連續倒塌的應對措施，結合材料特性、結構特性、構件特性等方面具體闡述對策，為預防和控制RC框架結構提供參考。隨著抗連續倒塌破壞機制在定量化理論研究方面的深入，系統化的RC 框架結構連續倒塌對策將真正應用到工程實踐中。