對新混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)認(rèn)識

摘要：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中保證安全是第一位的，針對《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-201O增加結(jié)構(gòu)防連續(xù)防飼塌設(shè)計(jì)原則，并提出結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)性倒塌的主要設(shè)計(jì)方法及要求，希望在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引起高度重視。

關(guān)鍵詞；混凝土 防連續(xù)倒塌 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號；TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識碼；A 文章編號：1674-098X(2012)02(b)-0060-01

從2008年汶川地震可知，大量建筑物的連續(xù)倒塌，造成大量人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)做到安全，防止建筑物倒塌是對安全的最大威脅，新施行的《混凝士結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010適應(yīng)現(xiàn)實(shí)要求，增加結(jié)構(gòu)防倒塌設(shè)計(jì)原則，提高了結(jié)構(gòu)在偶然作用下的抗災(zāi)性能。

1結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌控制與設(shè)計(jì)的基本思想

1.1災(zāi)害預(yù)測

突發(fā)事件是難以預(yù)測的，其發(fā)生的概率小但危險(xiǎn)大，且事件發(fā)生的可能性正逐漸增加，減小結(jié)構(gòu)遭受突發(fā)事件的影響值得學(xué)者與設(shè)計(jì)人員廣泛關(guān)注和慎重考慮。

1.2局部加強(qiáng)

一般情況下要求結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件下不發(fā)生局部破壞是不可取的，加強(qiáng)局部構(gòu)件或連接對減小結(jié)構(gòu)遭受突發(fā)事件的影響是有益的，但更重要的是提高結(jié)構(gòu)整體抵抗連續(xù)性倒塌的能力，從而減少或避免結(jié)構(gòu)因初始的局部破壞引發(fā)連續(xù)性的倒塌。

1.3提高結(jié)構(gòu)整體性能

提高結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)性倒塌的能力應(yīng)著眼于結(jié)構(gòu)的整體性能，即最低強(qiáng)度、冗余特性和延性等能力特征，一般可通過拉結(jié)力設(shè)計(jì)、備用荷載路徑分析及良好的構(gòu)造要求等方法實(shí)現(xiàn)。

1.4區(qū)別對待不同結(jié)構(gòu)體系

不同結(jié)構(gòu)體系的整體抵抗連續(xù)性倒塌能力各異，應(yīng)分別考察各類結(jié)構(gòu)體系發(fā)生連續(xù)性倒塌的機(jī)理和能力特征。

2防倒塌設(shè)計(jì)的基本要求

2.1構(gòu)件與連接的最低強(qiáng)度

結(jié)構(gòu)在初始局部破壞后為達(dá)到新的穩(wěn)定平衡而發(fā)生內(nèi)力重分布，可能導(dǎo)致框架粱的彎矩反向，甚至在極限狀態(tài)下形成懸鏈線效應(yīng)。這種內(nèi)力需求在通常的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中是不予考慮的，而一旦出現(xiàn)這種內(nèi)力需求，構(gòu)件或連接往往因?yàn)閺?qiáng)度過低而發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致連續(xù)性破壞的擴(kuò)展甚至倒塌。為此，有必要保證構(gòu)件和連接在不同受力狀態(tài)下的最低強(qiáng)度，使得結(jié)構(gòu)各部分能在極限狀態(tài)下“抱成一團(tuán)”。

保證構(gòu)件和連接的最低強(qiáng)度，以往的研究是通過拉結(jié)力設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的，但對不同的結(jié)構(gòu)體系，最低強(qiáng)度或承載力的要求一般各有側(cè)重。如鋼筋混凝土框架和剪力墻結(jié)構(gòu)宜著重加強(qiáng)底部縱向受力鋼筋的分布并要求恰當(dāng)?shù)目v筋搭接構(gòu)造，鋼框架宜充分保證粱柱連接的抗彎與抗拉強(qiáng)度；大跨空間結(jié)構(gòu)則應(yīng)保證受拉構(gòu)件具備適當(dāng)?shù)氖軌撼休d力。

2.2結(jié)構(gòu)的冗余特性

結(jié)構(gòu)冗余特性是指結(jié)構(gòu)在初始的局部破壞下改變原有的傳力路徑，并達(dá)到新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)的能力特征。充分的結(jié)構(gòu)冗余特性允許結(jié)構(gòu)“跨越”初始的局部破壞而不向外擴(kuò)展，從而避免連續(xù)性破壞或倒塌的發(fā)生。汶川地震后，對單跨框架、外廊式結(jié)構(gòu)限制使用。

結(jié)構(gòu)的冗余特性首先取決于結(jié)構(gòu)體系的類型。無支撐框架主要取決于梁柱連接的剛度、樓層數(shù)和跨數(shù)。有支撐框架主要取決于支撐的數(shù)量和分布，以及適量的剛性梁柱連接構(gòu)成的雙重防御機(jī)制。

2.3構(gòu)件與連接的變形能力與延性特征

構(gòu)件或連接的良好延性能力可顯著耗散能量，因此是減少結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性破壞的重要能力特征。局部構(gòu)件在承載力不過多喪失的情況下，其塑性大變形將允許內(nèi)力傳遞逐步轉(zhuǎn)移到其他構(gòu)件上，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部冗余特性的充分發(fā)揮。適當(dāng)?shù)难有詫μ岣呓Y(jié)構(gòu)的整體承載力具有顯著的影響。必要的延性是充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)內(nèi)部冗余潛力的重要條件。當(dāng)構(gòu)件或連接的強(qiáng)度過低時(shí)，延性能力并不能避免發(fā)生局部斷裂或嚴(yán)重破壞的能力。

因此，結(jié)構(gòu)構(gòu)件必須具備足夠的連續(xù)性、冗余承載力和耗能能力能夠?qū)⒊跏季植科茐膮^(qū)域的荷載有效地傳遞到能夠承擔(dān)這些冗余荷載的周邊結(jié)構(gòu)上，從而提高整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3防倒塌設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法

3.1局部加強(qiáng)法

提高可能遭受偶然作用而發(fā)生局部破壞的豎向重要構(gòu)件和關(guān)鍵傳力部位的安全儲備，也可直接考慮偶然作用進(jìn)行設(shè)計(jì)。局部加強(qiáng)法是對多條傳力途徑交匯的關(guān)鍵傳力部位和可能引發(fā)大面積倒塌的重要構(gòu)件通過提高安全儲備和變形能力，直接考慮偶然作用的影響進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種按特定的局部破壞狀態(tài)的荷載組合進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)，是保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的有效措施之一。

3.2拉結(jié)力構(gòu)件法

拉結(jié)力設(shè)計(jì)即要求構(gòu)件和連接滿足最低的抗拉強(qiáng)度要求，且各相連構(gòu)件形成的傳力路徑必須是直線的和連續(xù)的。設(shè)置豎直方向和水平方向通長的縱向鋼筋并應(yīng)采取有效的連接、錨固措施，將整個(gè)結(jié)構(gòu)連系成一個(gè)整體，是提供結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的有效方法之一。拉結(jié)構(gòu)件法設(shè)計(jì)允許爆炸或撞擊造成結(jié)構(gòu)局部破壞，在某個(gè)豎向構(gòu)件失效后，使其影響范圍僅限于局部。按新的結(jié)構(gòu)簡圖采用粱、懸索、懸臂的拉結(jié)模型繼續(xù)承載受力，按整個(gè)結(jié)構(gòu)不發(fā)生連續(xù)倒塌的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而避免結(jié)構(gòu)的整體垮塌。

3.3拆除構(gòu)件法

按一定規(guī)則拆除結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，驗(yàn)算剩余結(jié)構(gòu)體系的極限承載力；也司采用倒塌壘過程分析進(jìn)行設(shè)計(jì)。拆除構(gòu)件法是按一定規(guī)則撤去結(jié)構(gòu)體系中某部分構(gòu)件，驗(yàn)算剩余結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力的計(jì)算方法。可采用彈性分析方法或非線性全過程動力分析方法。

實(shí)際工程的防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)，應(yīng)根擄具體條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。

4結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)在防倒塌設(shè)計(jì)中利用

抗震設(shè)計(jì)中提出的結(jié)構(gòu)冗余特性和和接延性能力等要求，對提高結(jié)構(gòu)的抵抗連續(xù)性倒塌能力是有益的。在尚未建立合適的抗倒塌設(shè)計(jì)方法時(shí)，采用有關(guān)抗震設(shè)計(jì)的方法是有效的。

兩者差別是，地震作用主要是水平向的，而連續(xù)性倒塌時(shí)結(jié)構(gòu)主要承受豎向荷載；結(jié)構(gòu)抗震時(shí)抗側(cè)力構(gòu)件是主要的，樓板通常按剛性樓板假定考慮，而倒塌分析牛應(yīng)考慮樓板的準(zhǔn)確建模和薄膜效應(yīng)機(jī)制，地震作用下構(gòu)件反復(fù)受力而出現(xiàn)嚴(yán)重的強(qiáng)度與剛度退化，延性較差，倒塌設(shè)計(jì)時(shí)不必對這類參數(shù)作過多的折減。

因此，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的有益作用并不能使它可以取代抗倒塌設(shè)計(jì)，而應(yīng)立足于結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌控制的自身特點(diǎn)，建立合適的評價(jià)方法和設(shè)計(jì)體系。

5結(jié)構(gòu)防倒塌設(shè)計(jì)策略與加固措施

抗倒塌設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)結(jié)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)提出明晰的設(shè)計(jì)策略，并采取合理有效的加強(qiáng)措施：合理設(shè)計(jì)樓層的平面布置，適當(dāng)減小墻體和柱子的間距，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性并減小墻體遭受局部破壞的影響；結(jié)構(gòu)耳立面設(shè)計(jì)規(guī)則，力求構(gòu)件內(nèi)力傳遞連續(xù)而直接，并加強(qiáng)端部的錨固措施；增設(shè)樓板非跨度方向的受力主筋，一且樓板在跨度方向失去支承可以改變跨度方向繼續(xù)承擔(dān)荷載，同時(shí)保證主粱或承重墻體可以承擔(dān)樓板從非跨度方向傳遞的荷載；在框架頂層或中部樓層處增設(shè)跨間支撐，形成帽桁架或腰桁架的傳力機(jī)制，采用鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱等形式的構(gòu)件，開發(fā)高溫抗火性能優(yōu)良的新型結(jié)構(gòu)用鋼及其型材。

8結(jié)語

防止結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌應(yīng)當(dāng)高度重視結(jié)構(gòu)的整體性能以及相關(guān)的冗余特性、延性、連接強(qiáng)度和保障上述性能的構(gòu)造措施。不同類型結(jié)構(gòu)體系具有不同的倒塌特點(diǎn)，需要研究和制定不同的倒塌控制設(shè)計(jì)方法。