運用概念設計探討鋼筋混凝土結構抗連續倒塌

于文慧，楊 虹，譚小平

(西華大學建筑與土木工程學院，四川成都610039)

重大建筑連續倒塌時有發生，如1968年5月英國紐罕姆23層Ronan Point公寓樓因煤氣爆炸而倒塌；1995年4月俄克拉何馬城的9層Alfred P.Murrah聯邦大廈遭受惡毒攻擊而部分倒塌；2001年9月11日紐約世貿中心雙塔遭受恐怖攻擊而整體倒塌，這些事故引起人們對結構體系遭遇偶然作用而引起整體性和漸次倒塌的關注。美國ACI 318-02通過對結構整體性要求提出一種處理漸次倒塌的間接方法。我國于2011年10月實施的高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ 3-2010)[1]第3.12.節首次提出抗連續倒塌設計的基本要求。所謂結構的連續倒塌是由于偶然作用如爆炸、撞擊等人為事件，結構首先遭受的是局部破壞，在一個承重豎向構件失去后的重力作用下，構件之間會引起所謂的連鎖反應，破壞范圍漸次蔓延擴大，最終導致不相稱的過大倒塌。因此借鑒美國ASCE 7-02對漸次倒塌的定義[4]可知“建筑物連續倒塌是由最初的局部破壞在構件之間所引起的漸進式蔓延擴展面最終導致整個結構或不相稱的大部分倒塌”。

1 概念設計原理

對于可能遭遇爆炸、撞擊和地震等不確定意外事件的鋼筋混凝土結構，宜進行抗連續倒塌設計。當無法確定前述意外事件在結構中產生的荷載效應時，采用具有較多贅余度和延性功能的結構體系是能有效地減低漸次倒塌程度；加強抗震細部設計和多道防線的結構體系能減小災難性事件所帶來的破壞；建筑物分隔成小開間增加結構的超靜定性次數等措施均能提供結構整體性和阻抗連續倒塌能力，其概念設計具體表現為下列要點。

(1)建筑結構應具有阻止局部破壞在結構中擴散，即當某一豎向構件發生損壞，原傳力途徑遭到破壞時，其上部及相鄰構件應能夠形成新的傳力路線，避免出現連續破壞，保證結構整體穩定。因此應采用贅余度高和允許出現多個塑性區的抗側向的結構體系，如框架-剪力墻結構從贅余度、抗側力方面均優于框架結構。或者創造轉變傳力途徑的條件，如用雙向相交梁代替單向大梁，用轉換剛架代替大梁，框架梁中采用雙向配筋等。

(2)結構平面設計應力求簡單、規則，不宜采用如“U形、L形或其它具有“凹”角的不規則平面布置，避免存在可能引發連續性倒塌的薄弱部位，水平和豎向承重構件應沿結構整體連續、貫通，并加強端部的錨固措施。

(3)框架主梁沿結構平面宜連續、貫通，并具有跨越兩跨而不垮塌的能力：即當某一承重柱破壞后，其上兩側的梁能形成跨越該柱的水平承重構件，繼續承受重力荷載，避免出現豎向連續倒塌，見圖1。中間一根柱子失去后，此位置處的框架梁內力發生改變，由上部受拉變成下部受拉。所以應采取正確的連接、錨固措施、配置密集箍筋和足夠的貫通鋼筋，保證柱兩側梁的連續性。

圖1 失去中間柱的框架梁

(4)合理設計豎向構件的平面布置，縱橫兩方向的結構跨數均不應小于兩跨；適當減小墻體和柱子的間距，以增加結構豎向承重構件的數量并減小豎向承重構件遭受局部破壞的影響范圍。

(5)不宜采用框支結構及各類轉換結構、裝配式大板結構、無整澆層的裝配式樓板、裝配式樓梯等不利結構。框支柱、轉換梁及單跨結構缺少轉換傳力途徑，一旦失效易于引發連續倒塌；裝配式結構及各類裝配式構件在突發事件下，極易造成連接部位失效而引發連續倒塌。

(6)水平構件應具備抵抗由于偶然作用在結構內引起反向內力的能力，見圖2。如由于爆炸作用，一股超強沖擊波從炸源向四周方向傳播，因此對樓板產生向上作用的壓力，使樓板承受一種反向彎矩，這與承受常規重力荷載設計的樓板的內力相反。為此提供配置連續貫通鋼筋來承受由于偶然作用引起向上沖擊壓力產生的反向彎矩達到制約樓板倒塌的目的。

圖2 承受爆炸沖擊作用的框架梁

(7)充分利用樓板內鋼筋的懸鏈作用。具有側向約束和連續貫通配筋的鋼筋混凝土樓板能達到一種大撓曲變形條件下的純受拉狀態(稱之為抗拉薄膜受力狀態)，即樓板表現為一種懸鏈形態。現推導樓板的懸鏈大小Ft，即樓蓋失去一個中間承重構件后而發揮的懸鏈作用所攜帶的水平張力，見圖3。

圖3 懸鏈計算簡圖

由靜力平衡

對1/2隔離體C點取矩，∑MC=0

其中s為樓板的最大跨中(即失出柱子的部位)撓度。

這種懸鏈狀態不但增強了樓板的延性功能，同時還能加大在遭遇災難性事件情況下的極限承載力。為有效發揮樓板內鋼筋的懸鏈作用，現澆樓板宜設計成雙向板，如果是單向板應增設樓板非計算跨度方向上的分布鋼筋用量，當一個方向失效，另一方向可起承重作用；同時保證樓板底部配置具備足夠錨固長度的貫通鋼筋，保證樓板在跨度或主受力方向改變的情況下繼續承載。

(8)適當增加結構內部承重構件的承載能力；降低豎向構件的軸壓比、剪壓比等指標以改善結構的延性耗散能力；加強節點連接等措施，以抵抗突發事件導致內力重分布引發的連續倒塌。

2 抗連續倒塌構造措施

現行高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ 3-2010)首次提出抗連續倒塌的概念設計，其要點為：應采用必要的結構連續措施，增強結構的整體性。主體結構宜受用多跨規則的超靜定結構。結構構件應具有適宜的延性，避免剪切破壞，壓潰破壞、錨固破壞、節點先于構件破壞。結構構件應具有一定的反向承載能力。周邊及邊跨框架的柱距不宜過大。轉換結構應具有整體多重傳遞重力荷載途徑，鋼筋混凝土結構梁柱宜剛接，梁板頂、底鋼筋在支座處宜按受拉要求連續貫通。獨立基礎之間宜采用拉梁連接。在結構構造措施上具體體現如下：

2.1 框架梁抗連續倒塌措施

(1)框架結構平面應沿周邊布置閉合的框架梁，除周邊以外的框架梁宜在兩個主軸方向上分別貫通。

(2)框架梁應布置以下貫通鋼筋：頂面不少于梁頂縱向配筋中較大截面面積的0.25，且不小于2φ14；底部不少于梁底縱向配筋中較大截面面積的0.5，且不小于2φ14；其連接應采用機械連接或焊接。

2.2 框架柱抗連續倒塌措施

(1)柱軸壓比≤0.6

(2)應至少有4根縱筋沿全高(從基礎頂面到屋頂)貫通，位于四角且直徑不小于16 mm。貫通鋼筋連接應采用機械連接或焊接。

2.3 剪力墻抗連續倒塌措施

(1)剪力墻軸壓比不大于0.5

(2)連梁，當跨高比不大于2且連梁截面寬度不小于200 mm時，除普通箍筋外，宜另設斜向交叉構造鋼筋。

(3)剪力墻的兩端應設置端柱(或暗柱、翼柱)，在每層樓板位置應設置梁(或暗梁)，且沿結構平面兩個主軸方向宜貫通設置。

(4)端柱(或暗柱、翼柱)設置如圖4，端柱(或暗柱、翼柱)的范圍和計算縱向鋼筋用量的截面面積取圖中陰影部分，最小配筋率滿足：縱向鋼筋的最小用量，取max(0.008Ac,6φ14)且柱角部至少有4根縱筋從基礎頂面貫穿到層頂，直徑≥14 mm，通長鋼筋連接應采用機械連接或焊接。

圖4 剪力墻的端柱、暗柱、翼柱

箍筋直徑≥8 mm，間距≤150 mm，箍筋無支長度≤300 mm，拉筋的水平間距不應大于縱向鋼筋間距的2倍。

(5)當剪力墻端部為端柱時，端柱中縱向鋼筋及箍筋宜按框架柱的構造要求配置。

3 結束語

以多贅余度、整體性和延性耗能為目標的概念設計理念是防止結構的連續倒塌行之有效地措施，也深刻體現在現行高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ 3-2010)中，對關鍵構件(如框架梁、框架柱和剪力墻)的抗連續倒塌的技術措施也比現行抗震規范的技術措施嚴格的多。

[1] JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S]

[2] 梁益，陸新征.國外RC框架抗連續倒塌設計方法的檢驗與分析[J].建筑結構，2010(2)

[3] 葉列平.混凝土框架結構的抗連續倒塌設計方法[J].建筑結構，2010(2)

[4] (美)弗蘭西斯．K．哈梅，史蒂文．M．巴德雷基.防止多高層混凝土建筑漸次倒塌的設計與分析[M].高立人，譯.北京：中國建筑工業出版社，2010