防止鋼筋混凝土框架結構連續倒塌的措施與方法

陳 蕊

(銀川市規劃建筑設計研究院有限公司，寧夏 銀川750001)

0 引言

保證結構的安全是結構設計最基本的任務，而防止結構發生倒塌是結構能夠安全使用的重要保障。 無論什么樣的結構形式，國內外已經發生了多起重大的倒塌事故，不僅造成了重大的經濟損失，而且還帶來嚴重的人員傷亡，同時還產生惡劣的社會影響。 對于結構的常規設計，都是基于正常荷載作用下對結構進行安全性的設計，而忽略了偶然荷載的作用，當偶然荷載作用下，結構往往會發生連續倒塌。近年來，地震、海嘯等自然災害時有發生，而人為的恐怖襲擊也頻頻出現，由于偶然事件的發生幾率不斷增大，結構發生連續倒塌的可能性就越來越高。 結構的抗連續倒塌性能面臨考驗。 雖然常規荷載作用下結構設計已經成熟，但對于抗連續倒塌的認識還非常有限，開展結構的抗連續倒塌問題的研究工作，具有十分重要的意義。

1 控制偶然事件

偶然荷載發生的概率與很多因素有關，如：建筑的規模大小、人員數量及使用情況、車輛是否容易接近等。 通過多次的連續倒塌事故的調查統計， 致使結構發生連續倒塌事故的一個主要原因就是偶然作用。所以控制偶然事件的發生是防止結構發生連續倒塌的第一道防線也是最有效的方法。控制偶然事件的發生概率，這需要多方的努力。比如：加強對建筑看護人員的安全教育，嚴格安檢，加強對建筑周邊的巡護力度，來避免如人體炸彈等恐怖襲擊；控制車輛的出如或者在建筑的周邊通過設置防護帶來防止車輛的撞擊；限制在公共建筑等人口密集的建筑內燃氣的使用，來防止燃氣爆炸對結構的隱患；對于具有特殊使用功能的建筑，制定相應的措施來避免可能導致建筑發生連續性倒塌事件的發生。

2 消除引起結構發生局部破壞的誘因

若即使采取措施也無法控制偶然事件的發生時，消除引起結構發生局部破壞的誘因稱為了防止結構發生連續倒塌的第二道防線。需要通過設計者對建筑結構進行把握，主要措施有：

（1）對于那些重要的、對抗連續倒塌要求高的建筑，應盡量避免建在存放易燃易爆物品的倉庫或停車場附近，因為這些地方多發生偶然事件的概率比較高。

（2）建筑的平面應簡單、規則。 一些例如“L”形“U”性的不規則平面其在偶然作用下耗能能力較低， 對于結構的抗連續倒塌能力很不利。

（3）建筑在豎向并盡量避免有大的突變，盡量避免結構豎向剛度不連續出現薄弱層與軟弱層。 如果偶然事件發生在結構的薄弱層處，導致薄弱層上的某根主要受力構件失效， 其結果往往是毀滅性的破壞。

（4）應把緊急出口分散開來，緊急出口應設置在建筑的各個角落，且要遠離建筑的高危險區域與薄弱區域。

（5）布置合理的柱距及梁的跨度，柱距不宜大于9m，采用連續板，來提高梁的跨越能力。

（6）在滿足建筑的正常使用前提下，盡量的降低層高，因為當樓板或者主梁因偶然作用而發生坍塌時，柱子因側向支撐的喪失而導致計算長度突然增大，這種情況發生連續倒塌的概率很大，因此層高不宜過高。

（7）在滿足建筑正常使用的前提下，盡量提高結構底層的標高，這樣可減少車輛撞擊或者爆炸對建筑造成破壞的概率。

（8）在滿足建筑正常使用的前提下，通過伸縮縫、沉降縫或者抗震縫的合理設置，把建筑分為若干區域，再將各個區域根據其使用性質的不同，將個區域分成不同的功能區，使結構具有能力將倒塌限制在一個區域內，以此減少人員傷亡與經濟損失。

（9）應盡量避免主要受力構件裸露在外，用具有良好韌性的維護材料外包主要的受力構件，較少其與偶然作用直接接觸的概率。

（10）對如通風系統、安裝隔墻和空調設備等配套設施的緊固件進行合理的設計與施工，防止因偶然事件的發生而導致附屬物對人員造成傷害。

3 防止結構發生連續倒塌的方法

結構工程師對結構的抗連續倒塌設計是防止結構連續倒塌的第三條防線，也是最為有效的方法。 合理的結構設計對于結構的抗連續倒塌能力起著決定性的影響。

（1）采用超靜定結構體系

使結構具備抗連續倒塌的能力的一個最基本的要求就是采用超靜定結構。 結構因偶然作用發生局部破壞時，超靜定體系可以提供多條傳力路徑，保證剩余結構的整體穩定性。另外，構件可以在多個位置上產生塑性鉸，這同時也提高了備用荷載傳遞路徑形成的可能性。

（2）采用具有良好延性的建筑材料

當結構遭受偶然作用時，構件會因受力過大而進入塑性狀態。 所以，在結構主體與節點處使用延性較好的建筑材料可以明顯提高結構塑性變形能力與內力重分布能力。 而且，還可以避免結構發生脆性破壞，為人員逃生與營救爭取寶貴時間。

（3）采用耗能支撐

偶然作用常常伴隨著沖擊作用，因此，在條件允許下，可選用耗能支撐鉸可以有效的減小沖擊荷載對結構的影響。

（4）考慮荷載的反向作用

對于諸如燃氣爆炸等偶然事件，在其作用下的結構構件很有可能會陷入沖擊波漩渦，進而導致這些結構構件承受了和正常設計方向相反的荷載。所以，對于受力構件，都應該考慮偶然事件作用下荷載反向的可能。

（5）對樓板進行特殊設計

偶然事件發生后，樓板可能受到與正常使用狀態下反向的力的作用，當傳遞面荷載的梁或柱失效后，樓板可能會有原先設計的雙向板變為單向板，或者由原先設計的雙向板變為單向板，從而改變樓板的主受力方向。在設計樓板時，如果對其進行雙層雙向配筋，則可使其具備承受反向荷載的能力。在樓板底部設置具有足夠錨固長度的通長鋼筋， 在一定條件下可以使其在主要受力方向改變時仍然能夠承載，雖然梁柱的失效會導致樓板跨度的增加，但是因為鋼筋的懸鏈作用而使樓板不會塌落，進而可以使瓦礫的沖擊作用不會影響到下部結構。

（6）有效利用梁的懸鏈線作用

在對結構進行抗連續倒塌分析時，若結構發生局部破壞，失效柱是上部主梁的支撐，則當梁柱的連接節點具備足夠的強度時，結構不會發生連續倒塌，從而使主梁的懸鏈作用能夠得到充分的發揮，進而能夠繼續承受樓板自重荷載與部分的活荷載。

（7）設置防撞柱

對于底層經常會有車輛來往或者存在停車場的建筑，可以在建筑外圍設置防撞柱來減小車輛對柱的撞擊影響。

（8）節點設計

節點的強度與延性直接影響了結構的承載能力，因此通過構造措施來改善構件之間的連接節點是更為有效的一種方法。 對于鋼結構或者組合結構來說，節點的設計要比其他結構體系重要的多，因此在節點設計環節應該給予足夠的重視。

4 結束語

總之，造成連續倒塌的原因包括設計與施工中的人為失誤，以及在設計考慮范疇外的偶然荷載作用，如煤氣爆炸、火災、車輛撞擊、炸彈襲擊等。雖然結構發生連續倒塌的概率很小，但連續倒塌一旦發生，一般都會造成極其嚴重的后果，和惡劣的社會影響。因此，結構的抗連續倒塌問題受到越來越多的重視。

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