框架結構抗連續倒塌的設計方法與防范措施

楊益 李榮軼 寧翠萍

摘 要：本文深入探討了鋼筋混凝土框架結構連續倒塌破壞的作用機理，對我國現行規范中抗連續倒塌設計的基本要求做了系統歸納，并對比研究了常用的4種結構抗連續倒塌設計的分析方法，通過軟件建模驗證這些方法的可靠性。最后結合工程實踐，提出框架結構防止連續倒塌的預防措施。

關鍵詞：框架結構；連續倒塌；拆除構件法；防范措施

隨著我國建筑行業的快速發展，出現了一批安全等級較高的重點建筑，它們對抗震性、耐久性和可靠性都提出了更高的要求，在設計時除了常規的強度、剛度和穩定性的設計外，還應增加房屋結構的抗連續倒塌設計計算。我國這方面的研究起步較晚，在現行的混凝土結構設計規范[1]中和相關標準中，只給出了結構抗連續倒塌設計的基本原則，沒有明確詳細的設計步驟、方法、流程及設計參數等。因此，需要更深入研究分析結構抗連續倒塌問題，這里通過分析最為常見的鋼筋混凝土框架結構，提出結構設計建議，有重要的研究價值。

1 國內外連續倒塌事件頻發

1968年英國公寓“Ronan Point[2]”發生了一起爆炸事故，當時因一位居住在18樓住戶的不慎引發了煤氣爆炸，致使廚房拐角的一側混凝土預制承重墻被炸碎，并從原位置解體脫落。這個豎向承重構件的失效導致該位置的樓板和墻體沿著整個建筑物側面發生連續性倒塌墜落。

2003年，一幢位于湖南衡陽的商業大廈發生特大火災。大廈周圍有5根混凝土柱子在3個多小時的大火持續燃燒后喪失承載力，導致樓體突然發生連續倒塌，將正在救火的多名消防人員掩埋，倒塌面積約為3000平方米。隨著此類事件的連續發生，造成巨大的經濟損失，越來越多的人開始關注結構抗連續倒塌問題，后來便開展了對結構抗連續倒塌機理及其設計方法的研究工作。

2 連續倒塌的內涵及破壞機理

2.1內涵

美國土木工程協會對連續倒塌的定義是：“在連續構件體中由初期的局部破壞所牽連的漸進式蔓延并最終導致整個結構引起不對稱的大面積倒塌”。結構的連續倒塌是偶然荷載引起的，并導致連鎖反應向結構的周圍部分擴散，結果造成結構主體大范圍的坍塌。一般認為，如果結構的最后破壞形態和原始破壞不成比例，就可以稱為“連續倒塌”。

2.2 破壞機理

連續倒塌破壞是一個結構體發生非線性動力變化的發展過程，荷載作用往往瞬間發生，引起結構非線性變形，并導致連續結果發生彎曲變形，當變形超過承受范圍后構件便會失效，失效后，結構再也不可能恢復到初始的平衡狀態。從彈塑性理論分析可知，結構塑性鉸是可逆的，然而發生彎曲破壞后的截面形成機械鉸，而結構的機械鉸是不可逆的過程，不能恢復彎曲承載力，與結構實際倒塌過程是相符合的。所以，建筑結構的倒塌機理可理解為：如果足夠多的機械鉸出現在結構體系中，形成了不可恢復的可變機構后，結構將會發生連續倒塌。

引起結構連續倒塌的原因是多種多樣的，例如不可預見的偶然荷載作用：火災、車輛撞擊、煤氣爆炸、炸彈襲擊以及設計與施工中的人為失誤等。近幾年，海嘯、地震等自然災害偶爾發生，恐怖分子的襲擊頻繁出現，這些偶然事件的發生概率相比過去是增大了，導致結構發生連續倒塌的幾率也就增大了。

3 框架結構抗連續倒塌的設計方法

3.1 概念設計

胡慶昌[3]等人提出：在結構隔震減震設計中應充分考慮地震荷載和風荷載的影響，使得結構具備良好的延性與整體性，則能夠在一定程度上抵御連續倒塌事故。所以，在設計采時用一些概念性的設計措施可以有效提高抗震性，保證結構安全。具體措施如下：結構選型對稱、布置合理，盡量避免產生薄弱部位；提高構造連接的整體性和連續性；設置多道荷載傳遞路徑以增大結構冗余度；積極提倡使用延性能力優良的建筑材料，保證延性構造措施到位；應考慮反向荷載對減弱振動的影響；充分發揮樓板、梁的懸鏈線作用等。

3.2 拉結強度法

拉結強度法是通過對結構構件增加拉結連接，提供多道荷載傳遞路徑，可以保證結構整體性不受破壞。具體可以采用梁-拉結模型、懸索-拉結模型以及懸臂-拉結模型等，一些學者也將這種方法歸類為一種量化的概念設計方法。

3.3 拆除構件法

拆除構件法[4]是一種對結構抗連續倒塌能力評估的常用手段，依據一定的拆除順序，將結構物的某一根柱、墻等構件拆除，或者將幾根柱、墻構件一次拆除，可以模擬真實工況，并對剩余結構進行承載能力和變形能力分析。規范指出，應該順著結構底層外邊緣，先拆除長邊中柱（或墻）、再拆除短邊中柱（或墻）、后拆除角柱（或墻）構件，并對剩余結構進行非線性靜力分析和非線性動力分析。這種方法的優點是能夠較為準確真實地模擬結構連續倒塌的漸進過程，不受意外荷載形式的限制，能夠較好地評估結構的抗倒塌能力。

3.4 關鍵構件法

一些不能采用拆除構件法分析的特殊構件，如果其倒塌會引起結構大面積的倒塌，則判斷此構件應考慮設計成“關鍵構件”。歐洲規范指出，關鍵構件在設計上應在原有荷載數值基礎上增加34kN/m2，增加的額外荷載是“Ronan Point”公寓承重墻的失效荷載。這個荷載不能保證不被超越，但基于此方法能夠加強結構整體穩定性和安全度，從而在一定程度上實現了控制結構發生連續倒塌概率的目的。

4 防止結構連續倒塌的防范措施

4.1 控制偶然事件

偶然事件是由于偶然荷載的發生而引起的，偶然荷載的影響因素很多，例如：建筑物的面積大小、人員流通情況、車輛及易燃易爆品是否容易接近等。高效地控制偶然事件的發生概率是防止結構連續倒塌的第一道放線，也是最有效地最根本的辦法。具體措施：提高安保人員的安全意識教育，加強安全檢查，加強建筑周邊的巡邏，防止出現人體炸彈等恐怖襲擊事件；通過設置隔離防護帶防止意外車輛的撞擊事件；通過對公眾場所攜帶易燃易爆品的檢查，杜絕燃氣爆炸事件。

4.2 解除結構引起局部破壞的誘因

對那些不可避免的偶然事件發生時，解除結構發生局部破壞的誘因成為抗連續倒塌手段的第二道防線。具體措施有：

（1）避免將抗連續倒塌設防高的結構建設在儲存易燃易爆品的倉庫或場地附近；

（2）結構平面布置應該規則、對稱、簡單。一些“L”形、“U”型等不規則形狀的建筑抗倒塌能力較差。

（3）結構豎向設計時應規則統一，避免突變部位，避免因豎向剛度間斷出現薄弱層。

（4）緊急出口的布置應該分散均勻，并要求遠離易燃易爆危險區域。

（5）梁跨、柱距應布置合理，不宜過大過高。采用現澆連續梁板提高結構耗能能力。

（6）結構層高宜低不宜高，因為當樓板或主梁突然倒塌時，柱子由于喪失側向支撐會導致計算長度突然增大，此時引起連續倒塌發生的幾率大大提高。

（7）在條件許可的情況下，適宜提高結構底層設計標高，避免意外爆炸或車輛撞擊發生的可能性。

（8）通過設置變形縫（伸縮縫、沉降縫及抗震縫），將結構劃分區域，各個區域內又可劃分成多個功能區。這樣即使發生倒塌事件，不會波及其他，將破壞限制在小區域內。

（9）禁止結構的主要受力構件暴露在外，應采用碳纖維布等韌性材料外包保護。

（10）合理設計、固定管道設備、通風空調等，避免發生設備管線偶然墜落傷人的事件。

4.3 防止結構發生連續倒塌的設計措施

控制結構連續倒塌的第三條防線是結構工程師的抗連續倒塌設計[5]方法措施，也是最有效的手段。具體措施如下：

（1）使用超靜定結構體系設計。這種體系即使在偶然作用引起局部破壞時，超靜定體系仍然能偶維持多條荷載傳遞路徑，分散了作用力，保證了殘留結構的整體穩定性。

（2）使用延性性能良好的建筑材料。設置在梁柱節點等重要部位，可以明顯改善結構的內力重分布能力和抵抗變形能力。

（3）使用耗能支撐。偶然的沖擊作用引起的撞擊能量，被耗能支撐桿件有效地吸收，起到消能減震的作用。

（4）重點部位設置防撞柱。對于建筑底層有車輛經常往來的區域，在外圍設置防撞柱減小車輛的撞擊影響。

（5）加強節點設計。節點的強度與延性在破壞時發揮作用，應通過構造措施加強。

5 結論

本文對框架結構的連續倒塌問題進行了具體分析和總結歸納，得到如下結論：

（1）闡述了國內外發生的對結構抗連續倒塌研究有重大影響的事件，結合工程實例說明其重要性和危害性。

（2）具體介紹了結構的連續倒塌的概念和倒塌機理，并詳細分析了主要的結構抗連續倒塌設計方法：概念設計、拉結強度法、拆除構件法、關鍵構件法的內涵以及應用。

（3）結合工程實踐和結構設計經驗，總結歸納出防范結構發生連續倒塌的控制措施，提供設計和施工人員借鑒參考。

【基金項目：楊凌職業技術學院科學研究基金項目《爆炸沖擊作用下RC框架結構抗連續倒塌設計方法研究》（A2014002）】

參考文獻

[1]GB50010-2010，混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2]C.Pearsonl and N.Delatte.Ronan point apartment tower collapse and its effect on uiling codes.J.Perf.Const.Fac.，ASCE，2005，19（2）：172-177.

[3]胡慶昌.建筑結構抗震減震與連續倒塌控制[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[4]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，第 36 卷，2006 .

[5]梁益，陸新征，李易等. 3層RC框架的抗連續倒塌設計[J].解放軍理工大學學報（自然科學版），2007，8（6）：659-664.