建筑結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法研究

馬曉華 孫麗軍 尹有軍 喬安宇

(大連市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧大連 116021)

建筑結(jié)構(gòu)的安全問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的首要問題。近年來，由于撞擊、爆炸等偶然荷載造成的建筑結(jié)構(gòu)損壞時(shí)有出現(xiàn)，這些偶然荷載一旦對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件造成破壞，并引發(fā)連續(xù)性的結(jié)構(gòu)倒塌，將造成非常嚴(yán)重的損失［1］。

我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》2010版的修訂中，考慮到“911”事件中紐約世貿(mào)中心的2棟110層高樓在遭到飛機(jī)撞擊后相繼倒塌和汶川大地震中框架結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞的事例，著重強(qiáng)調(diào)了提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)固性，以避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。相應(yīng)地引入了:1)整體穩(wěn)固性;2)重要構(gòu)件冗余約束性、超靜定結(jié)構(gòu)體系、多條傳力路線;3)防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)等內(nèi)容和概念［2］?？梢哉f混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂，強(qiáng)調(diào)了以防連續(xù)倒塌為目的的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文首先分析了連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的基本思想，之后對(duì)荷載組合方式、設(shè)計(jì)的指標(biāo)、分析步驟等具體問題進(jìn)行了論述，最后提出了設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施。本文可以在防連續(xù)倒塌領(lǐng)域的具體設(shè)計(jì)上，為工程技術(shù)人員提供一些有益的參考。

1 連續(xù)倒塌的概念及設(shè)計(jì)思路

連續(xù)倒塌是指初始的局部單元破壞向其他單元擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)大范圍區(qū)域的或者整體性的倒塌。

連續(xù)倒塌一般是由偶然荷載引發(fā)。偶然荷載是指在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率較小，持續(xù)期很短的荷載。如:火災(zāi)、爆炸、車輛撞擊、人為破壞、施工缺陷、基礎(chǔ)的不均勻沉降、對(duì)結(jié)構(gòu)的不適當(dāng)處理。這些非常規(guī)荷載因素都可能造成結(jié)構(gòu)的損壞，如在設(shè)計(jì)階段沒有妥善地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)，那么上述偶然因素造成的連鎖性反應(yīng)，均可能造成災(zāi)難性的后果。統(tǒng)計(jì)顯示，15%～20%的倒塌是由上述因素造成的。

防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)以將偶然因素導(dǎo)致的損失減小至可接受程度為目標(biāo)。各國針對(duì)防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)制訂了不同的規(guī)范:如英國規(guī)范(BS)、美國土木工程學(xué)會(huì)規(guī)范(ASCE)、美國總務(wù)署(GSA)、美國國防部(DOD)、紐約規(guī)范(NYC)等。就設(shè)計(jì)思想而言，包括針對(duì)構(gòu)件的抗倒塌設(shè)計(jì)、針對(duì)荷載傳遞路徑的抗倒塌設(shè)計(jì)和針對(duì)結(jié)構(gòu)體系的抗倒塌設(shè)計(jì)三個(gè)層次。從設(shè)計(jì)方法而言，主要包括了局部加強(qiáng)法、拉結(jié)構(gòu)件法和拆除構(gòu)件等基本方法。

1.1 設(shè)計(jì)思想

第一層次對(duì)于構(gòu)件而言，稱為關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)。特別是那些可能直接遭受意外荷載作用的關(guān)鍵構(gòu)件，如工業(yè)建筑中危險(xiǎn)源周邊的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，容易遭受車輛撞擊的結(jié)構(gòu)外邊柱等等。對(duì)這些關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)或者進(jìn)行保護(hù)性設(shè)計(jì)。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)對(duì)象明確，設(shè)計(jì)方法可以沿用傳統(tǒng)方法。其缺點(diǎn)是由于突發(fā)事件本身難以預(yù)測(cè)，成功做到單一結(jié)構(gòu)構(gòu)件在突發(fā)事件下不發(fā)生破壞，其可能性較低。

第二層次設(shè)計(jì)思想是以變換傳荷路徑法為基礎(chǔ)形成的。其原理是在部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件已經(jīng)發(fā)生破壞或喪失功能的基礎(chǔ)上，通過形成有效的備用荷載傳遞路徑來提高結(jié)構(gòu)的二次承載能力。也就是說通過有效的應(yīng)力重分布來承擔(dān)由于局部構(gòu)件失效造成的影響，從而有效地減少發(fā)生坍塌的范圍。

第三層次是針對(duì)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)。其重點(diǎn)是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的分區(qū)，以將破壞限制在受破壞區(qū)的范圍內(nèi)，減少結(jié)構(gòu)整體連續(xù)倒塌的可能。這種設(shè)計(jì)適用于多跨橋梁、廠房等結(jié)構(gòu)層數(shù)少同時(shí)平面尺寸較大的結(jié)構(gòu)。對(duì)于高層建筑而言，由于不能有效的控制倒塌范圍，這一方法的使用受到限制。

1.2 局部加強(qiáng)法

局部加強(qiáng)法是指提高可能遭受偶然作用而發(fā)生局部破壞的重要豎向構(gòu)件和關(guān)鍵傳力部位的安全儲(chǔ)備。設(shè)計(jì)時(shí)可以直接提高重要構(gòu)件承載力(尤其是受剪承載力)和延性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)也可提高鋼構(gòu)件的耐火性能。局部加強(qiáng)法也可以直接考慮偶然作用進(jìn)行設(shè)計(jì)，如英國規(guī)范要求考慮意外設(shè)計(jì)荷載34 kN/m2(5 psi)，此荷載按橫向及豎向分布作用于承重及圍護(hù)結(jié)構(gòu)，每次作用考慮一個(gè)方向。

1.3 拉結(jié)構(gòu)件法

抗拉結(jié)力設(shè)計(jì)是在結(jié)構(gòu)局部豎向構(gòu)件失效的條件下，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成拉結(jié)力。內(nèi)部拉結(jié)力分為水平拉結(jié)和豎向拉結(jié)。水平拉結(jié)來自縱向、橫向和外圍拉結(jié)力?？v向拉結(jié)是來自柱和承重墻的拉結(jié)力。拉結(jié)設(shè)計(jì)的目的是保證結(jié)構(gòu)在發(fā)生局部破壞時(shí)，其屋面或樓面的荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的拉力，能夠有效地被梁柱系統(tǒng)承擔(dān)。對(duì)于圖1不同位置的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)該分別滿足以下要求:

1)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的梁和樓板要保證具有基本的拉結(jié)力，并且應(yīng)保證與周邊的拉結(jié)體系錨固良好。

2)由于周邊框架梁承擔(dān)錨固其內(nèi)部的梁和樓板傳遞的拉結(jié)力，因此其不能小于同方向相鄰內(nèi)部構(gòu)件的拉結(jié)力。

3)墻/柱的豎向拉結(jié)要求自基礎(chǔ)至屋面連續(xù)貫通，并且大于各層中水平拉結(jié)力的最大值。

圖1 提高結(jié)構(gòu)整體性的不同類型拉結(jié)

拉結(jié)設(shè)計(jì)主要保證上述構(gòu)件滿足其所處位置的拉結(jié)強(qiáng)度要求，計(jì)算中按新的計(jì)算簡圖，采用梁、懸索、懸臂的拉結(jié)模型繼續(xù)承載受力。由于這種方法針對(duì)構(gòu)件進(jìn)行，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，簡化程度較高，可靠性低，也不能有針對(duì)性地對(duì)某一位置的破壞進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。

1.4 設(shè)計(jì)方法——拆除構(gòu)件法

拆除構(gòu)件法是目前用于設(shè)計(jì)分析的最常用方法，也稱為變化荷載路徑法(Alternate Path Method)。其基本方法如圖2所示。其中X處表示對(duì)原結(jié)構(gòu)框架柱的拆除。該法是目前對(duì)連續(xù)倒塌針對(duì)性最強(qiáng)，可靠性最高的一種設(shè)計(jì)方法。美國的DOD2005規(guī)范和GSA規(guī)范都采用了這一方法。

圖2 拆除構(gòu)件法的圖示

2 連續(xù)倒塌分析

目前國內(nèi)外的連續(xù)倒塌分析主要以基于拆除構(gòu)件法的數(shù)值計(jì)算和室內(nèi)結(jié)構(gòu)倒塌模擬試驗(yàn)兩個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn)。

2.1 連續(xù)倒塌的計(jì)算分析

計(jì)算方法包括靜力計(jì)算法，靜力非線性計(jì)算法，動(dòng)力線性計(jì)算法，動(dòng)力非線性計(jì)算法。當(dāng)應(yīng)用于10層和10層以下的規(guī)則結(jié)構(gòu)時(shí)可采用線性分析;對(duì)10層以上的結(jié)構(gòu)和非規(guī)則結(jié)構(gòu)則必須采用非線性方法。靜力分析和動(dòng)力分析的差別在于前者采用了動(dòng)力方法系數(shù)考慮動(dòng)態(tài)效應(yīng)，后者則使用時(shí)程分析考慮動(dòng)態(tài)效應(yīng)，這一方法比靜力分析更加復(fù)雜，分析結(jié)果更加接近實(shí)際。

分析之初應(yīng)首先明確計(jì)算的荷載組合。表1比較了幾種國外規(guī)范［3-6］中的組合方式。

表1 連續(xù)倒塌分析中的荷載組合

從表1可見，由于連續(xù)倒塌的產(chǎn)生幾率并不高，在設(shè)計(jì)中活載、風(fēng)荷載、雪荷載等荷載的組合系數(shù)均較小。風(fēng)荷載的引入主要是保證結(jié)構(gòu)橫向仍然有一定的穩(wěn)定性。豎向的恒載在連續(xù)倒塌中起主導(dǎo)作用，在ASCE規(guī)范中將偶然荷載進(jìn)行了組合，而在英國規(guī)范中，偶然荷載設(shè)為34 kN/m2，用來對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。

根據(jù)美國總務(wù)署(GSA)頒布的“連續(xù)倒塌的分析與設(shè)計(jì)導(dǎo)則”，連續(xù)倒塌分析的步驟如下:

1)建立有限元模型。

2)對(duì)未破壞結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，利用計(jì)算結(jié)果，確定失效的關(guān)鍵構(gòu)件。

3)去掉失效構(gòu)件，將由于該構(gòu)件失效引起的動(dòng)力荷載組合施加在結(jié)構(gòu)上，對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力分析，如果在這一過程中有其他構(gòu)件失效，則移除該構(gòu)件，同時(shí)將其上的荷載分配到周圍構(gòu)件上。

4)讀取非線性時(shí)程分析的結(jié)果。

5)基于狀態(tài)參量來估計(jì)計(jì)算結(jié)果。判斷結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能。

狀態(tài)參量的選擇主要考慮韌性指標(biāo)和轉(zhuǎn)角變形兩項(xiàng)指標(biāo)。其中韌性指標(biāo)為作用能力比(Demand-Capacity Ratio，DCR)，計(jì)算如式(1):

其中，S為作用，即分析所得構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)承受的作用;R為能力，即構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的極限承載能力。

在動(dòng)力分析中，對(duì)于框架梁，取其支撐處的撓度超過其跨度的10%時(shí)作為構(gòu)件失效。再進(jìn)行倒塌判斷，如倒塌部分的面積超過15%，則認(rèn)為出現(xiàn)連續(xù)倒塌。

目前多數(shù)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM和SAP等均可進(jìn)行靜力分析。而動(dòng)力的連續(xù)倒塌分析一般采用通用軟件實(shí)現(xiàn)，如可用有限元?jiǎng)恿Ψ治鲕浖﨤S-DYNA，利用其材料庫中的鋼筋混凝土整體模型以及接觸算法進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析。

2.2 連續(xù)倒塌試驗(yàn)

連續(xù)倒塌問題相當(dāng)復(fù)雜，計(jì)算模型中包含著大量的假設(shè)和簡化。因此，在連續(xù)倒塌領(lǐng)域，試驗(yàn)研究也是一個(gè)方向。近年來的一些抗倒塌性能試驗(yàn)研究，為連續(xù)倒塌理論提供了大量的成果。

單榀框架的倒塌試驗(yàn)顯示［8］，倒塌過程中結(jié)構(gòu)首先是從彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)化，然后隨著塑性鉸區(qū)域的混凝土剝離，結(jié)構(gòu)體系由受彎為主的塑性機(jī)構(gòu)變?yōu)槭芾瓰橹鞯膽宜鳈C(jī)構(gòu)。最終的破壞形式為框架梁的鋼筋拉斷，使框架完全倒塌。由于塑性階段的荷載僅相當(dāng)于懸索機(jī)構(gòu)荷載的70%，因此采用塑性機(jī)構(gòu)計(jì)算框架結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌能力是合理的。

3 連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施

我國規(guī)范中還未對(duì)連續(xù)倒塌提出具體的設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施，這里通過對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的歸納，總結(jié)出以下的設(shè)計(jì)方法，供工程技術(shù)人員參考。

3.1 防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法

根據(jù)梁益［11］采用拆除構(gòu)件法的研究結(jié)果，建筑頂部邊梁強(qiáng)度對(duì)框架結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌能力的貢獻(xiàn)較大。應(yīng)該在滿足強(qiáng)柱弱梁原則的基礎(chǔ)上，提高頂部(尤其是頂層)框架梁的配筋，改善頂部結(jié)構(gòu)的跨越能力，從而提高框架結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。

框架結(jié)構(gòu)的邊柱或角柱喪失承載能力時(shí)，有效的跨間支撐將會(huì)大大提高結(jié)構(gòu)的防倒塌能力。

在框架結(jié)構(gòu)體系中，在框架柱失效時(shí)，大柱距會(huì)減弱結(jié)構(gòu)二次分散荷載的能力，因此較小柱距可提高框架結(jié)構(gòu)的防倒塌能力。

3.2 構(gòu)造措施

對(duì)于板柱結(jié)構(gòu)體系，通過將板底部鋼筋正確錨入柱內(nèi)，在梁柱體系內(nèi)形成有效的拉結(jié)力，具有明顯的作為銷鍵后期受剪作用。底部連續(xù)配筋還可在柱上懸掛破壞的樓板，起到懸鏈作用，從而減少發(fā)生連續(xù)倒塌的可能性(如圖3所示)。

圖3 底部鋼筋的作用

懸挑結(jié)構(gòu)本身不利于二次傳荷路徑的形成，因此有抗倒塌需求的結(jié)構(gòu)中應(yīng)慎重使用。但若在底層建筑周邊采用懸挑結(jié)構(gòu)，由于建筑外墻處豎向構(gòu)件較少，能降低車輛撞擊對(duì)底層柱的影響。

構(gòu)造措施主要用于提高結(jié)構(gòu)的整體性，值得注意是，很多用于抗震設(shè)計(jì)的構(gòu)造措施也能夠起到抵御連續(xù)倒塌的效果，在設(shè)計(jì)中也可以采用。例如采用芯柱或螺旋箍筋的框架柱的承載力和變形能力較高，可以提高結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌穩(wěn)固性。

值得注意的是，對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)體系，其發(fā)生連續(xù)倒塌的機(jī)理不同，如RC框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中，對(duì)底部縱向受力鋼筋的布置進(jìn)行強(qiáng)化，通常是要求適當(dāng)?shù)目v筋搭接構(gòu)造，以滿足拉結(jié)力要求。而對(duì)于大跨空間結(jié)構(gòu)而言，其構(gòu)件以受拉為主，防倒塌設(shè)計(jì)中要求這些構(gòu)件應(yīng)具有一定的受壓承載力。對(duì)于預(yù)制裝配式樓面—墻板體系而言，最重要的是改善其連接構(gòu)造，同時(shí)提高其強(qiáng)度。對(duì)于鋼框架應(yīng)充分保證梁柱連接節(jié)點(diǎn)的抗彎與抗拉強(qiáng)度?？傊?，應(yīng)該結(jié)合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)采用適宜的防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施。

4 結(jié)語

1)根據(jù)我國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》2010的防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)思想，概括了目前國內(nèi)外常用的防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法。

2)比較了各國規(guī)范中的荷載組合方式，介紹了防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法和步驟。拆除構(gòu)件法是實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最廣泛應(yīng)用的方法，可以用通用軟件實(shí)現(xiàn)其抗倒塌指標(biāo)的求解。

3)總結(jié)了設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施，應(yīng)該結(jié)合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)采用適宜的防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法。

［1］ 葉列平，陸新征，李 易，等.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［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(2):1-7.

［2］ GB 50010-2011，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ Structural Use of Concrete:Part 1:Code of Practice for Design and Construction.BS 811021［S］.London:BSI，1997.

［4］ Eurocode I:Actions on Structures，Part 127:General Actions Accidental Action.EN19912127［S］.Brussels，2006.

［5］ Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Project.GSA2003［S］.Washington DC:General Services Administration，2003.

［6］ Design of Structures to Resist Progressive Collapse.DoD 2010(UFC4-023-03)［S］.Washington DC:Department of Defense，2009.

［7］ 胡曉斌，錢稼茹.結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析與設(shè)計(jì)方法綜述［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2006，36(S1):79-83.

［8］ 易偉建，何慶鋒，肖 巖.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗倒塌性能的試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007，28(5):104-109，117.

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