防止框架結構連續性倒塌的措施

蒲文國 李 東

結構連續性倒塌是指結構在正常使用條件下由于偶然事件引起局部破壞并沿構件傳遞，最終導致整個建筑物倒塌或者造成與初始破壞不成比例的倒塌[1］。引起結構連續性倒塌的原因主要有施工錯誤、煤氣爆炸、機動車輛撞擊、火災等。連續性倒塌一旦發生，一般造成慘重的人員傷亡和財產損失。近年來由于各種意外事件造成的建筑結構連續性倒塌事故，使得該問題日益受到公眾的關注和研究者的重視[2］。

目前常用的連續倒塌設計方法主要有偶然事件控制法，間接設計方法和直接設計方法[3］。偶然事件控制法即消除引起連續倒塌的原因，從根本上消除結構發生連續性倒塌的可能性。間接設計法實際上是一種概念設計，主要是通過加強結構的整體性、連續性、延性和冗余度，從而提高結構抵抗連續倒塌的能力。直接設計法主要采用改變傳力途徑法進行分析和設計，通常也稱為計算設計。本文主要介紹偶然事件控制法和間接設計法。

1 偶然事件控制法

偶然事件是引起結構遭受偶然荷載作用，進而導致其發生連續倒塌的最初原因。偶然荷載的發生頻率和建筑物的規模、用途、人員居住情況、所包含的單元數以及車輛是否易于到達建筑物等因素都有關系。防止結構發生連續倒塌的根本在于控制偶然事件的發生，把偶然事件的發生概率降至最低[4］。這主要靠政府和全社會的共同努力。譬如:加強安全檢查和保安巡邏的力度，避免汽車炸彈、恐怖襲擊等這種意外事件的發生;控制機動車輛的進出或在建筑物四周設置隔離帶，防止機動車輛對建筑物的撞擊;限制燃氣在重要公共建筑中的應用，消除燃氣爆炸的隱患。

2 間接設計法

間接設計法即概念設計法，主要是采取一些建筑和結構措施來提高結構體系的延性和連續性，維持結構在偶然事件中的整體性。

2.1 防止結構連續倒塌的建筑措施

若采用防護措施仍不能避免偶然事件的發生時，我們可以通過建筑上合理的安排，減輕結構發生連續倒塌的風險。

1)隔離不安全區域。停車場和存放易燃易爆物品的倉庫是偶然事件高發地區，在建筑規劃和布局時，盡量使重要結構遠離這些危險區域。2)設置安全隔離帶。通過合理的場地規劃，在結構周圍設置出足夠的緩沖空間，以減輕偶然荷載對結構的作用。因此，在結構的周圍設置安全隔離帶，使機動車輛無法輕易到達重要結構區域，從而無法對結構進行撞擊。通常，可以用綠化帶、樹木、河道甚至柵欄、隔離墩等來設置安全隔離帶。3)合理設置疏散出口。緊急疏散出口和樓梯間的設置應盡量分散于建筑物的各個角落，并盡可能遠離結構的薄弱區域和危險區域。同時，應設置醒目的指示牌，使遇險人員能知道最快的逃生方向，避免恐慌造成的人員傷亡損失。4)合理劃分功能區。通過合理設置伸縮縫、沉降縫或抗震縫把建筑物劃分為若干個區，并根據使用性質分成不同的功能區，使得偶然事件發生時結構的連續倒塌限于一個區內，從而減小人員傷亡和經濟損失。5)減小柱距和梁的跨度。盡量減小柱距和梁的跨度，采用連續梁板結構，能有效的提高梁的跨越能力。因此，在滿足框架類結構體系的一般建筑要求的前提下，建議柱距不要太大。6)降低結構的層高。結構的層高是影響結構抗連續倒塌能力的重要因素，特別是當樓板或主梁因偶然作用發生坍落時，柱子因為側向支承的喪失而導致計算長度突然增大，在這種情況下柱子可能發生整體失穩從而導致構件發生一系列的連鎖失效。因此，在滿足建筑及功能要求的情況下，應盡量降低結構的層高。

2.2 防止結構連續倒塌的結構措施

從控制偶然事件的發生和采用合理的建筑規劃設計雖然能在一定程度上降低結構連續倒塌的發生，但更重要的是采取增強結構整體性、連續性、延性和冗余度的結構措施，以達到防止結構連續倒塌的目的[5，6］。

1)采用延性較好、自重輕的材料。應盡量選用延性好的建筑材料用于單元和節點連接，提高結構塑性變形和內力重分配的能力。同時，使用延性好的材料，還可以避免結構發生脆性破壞，給人員的逃生和營救爭取時間。結構的自重對結構連續倒塌中增大內力和形成沖擊荷載具有重要影響，選用自重結構材料有利于防止結構連續倒塌的發生。

2)確保側向剛度均勻變化。結構體系的側向剛度宜均勻、連續的變化，避免結構上柔弱層和薄弱層的出現。豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免抗側力結構的側向剛度和承載力的突變。從而避免因偶然作用導致薄弱層大面積倒塌，進而發生整體性倒塌。

3)加強結構構件的連接構造。對于框架結構，當某根柱發生破壞失去承載力，其直接支承的梁應能跨越兩個開間而不塌落，這就要求跨越柱上梁中的鋼筋貫通并具有足夠的抗拉強度，通過貫通鋼筋的懸鏈線傳遞機制，將梁上荷載傳遞至相鄰的柱。拉結構造是最簡便的保證結構整體性的措施。對于混凝土框架結構，一般要求在外圍周邊構件中的縱向受力鋼筋應拉通布置(縱向、橫向、豎向)，結構的內部拉結應沿互相垂直的兩個方向分布在各個樓層，并與外部拉結有效連接。

4)采用耗能裝置。偶然事件對結構體系的不利影響難以預料，但無論是哪類偶然荷載作用，都對結構有沖擊作用。為減小沖擊荷載對結構的影響，在條件允許的情況下，可以選擇合適的耗能裝置。

5)關鍵構件保護。關鍵構件對于整個結構體系的承載能力有著舉足輕重的作用。其一旦失效將會直接導致結構大面積或整體的倒塌。因此針對結構的關鍵構件應對其進行重點保護，從而在結構遭受偶然荷載作用時，這些關鍵構件不會立即發生失效，同時外加荷載可通過其他構件的塑性發展而重新分布，從而達到提高整個結構整體性和堅固性的目的。

6)樓板設計。在偶然荷載作用下，樓板的受力方向可能和正常使用條件下的受力方向不同，而且當傳遞樓面荷載的某根梁或柱失效時，樓板的主受力方向也可能發生變化，因此設計時應當對樓板進行特殊設計，并進行雙層雙向配筋，使得樓板有能力在跨度方向和受力方向改變的情況下繼續承載，從而阻止樓板的坍塌，減小落于結構其他部分的殘骸堆載。

7)節點設計。結構體系的安全與否除和構件的強度以及整體穩定性相關外，連接節點的強度和延性也直接影響結構體系的承載力和塑性變形能力，從而影響整個結構體系的安全性，因此節點設計是提高結構抗連續倒塌能力的一個不可或缺的環節。

3 結語

一般情況，所有框架結構應對可能遭受的偶然荷載作用不敏感，也就是說應當避免框架結構中因單根構件的失效而導致其發生大范圍的連續倒塌。本文介紹的框架結構抗連續性倒塌的措施，供設計人員在工程結構設計中借鑒，其實際效果需要設計人員根據具體工程情況靈活運用，關鍵是要能夠把握整個結構體系的安全性。同時，也要從各種工程結構事故中汲取教訓，不斷豐富抗連續倒塌的結構設計經驗。

[1]ELLINGWOOD B R.Mitigating risk from abnormal loads and progressive collapse[J］.Journal of Performance of Constructed Facilities，2006，20(4):315-323.

[2]胡曉斌，錢稼茹.結構連續倒塌分析與設計方法綜述[J］.建筑結構，2006，36(sup):5-83.

[3]LEYENDECKER E V.，ELLINGWOOD B R..Design methods for reducing the risk of progressive collapse in buildings[J］.National Bureau of Standards，Washington，D.C，1977(3):62-63.

[4]陳峻嶺.建筑結構二次防御能力評估方法研究[D］.上海:同濟大學，2004.

[5]Hayes J R，Woodson S C，Pekelnicky R G.Can strengthening for earthquake improve blast and progressive collapse resistance[J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，2006，131(8):1157-1177.

[6]UFC 4-023-03，Design of structures to resist progressive collapse[S］.Washington D C:Department of Defense，USA，2005.