結構抗連續倒塌設計策略

韓超偉

（廣東省建筑設計研究院）

結構抗連續倒塌設計策略

韓超偉

（廣東省建筑設計研究院）

結構連續性倒塌造成的后果非常嚴重，除了會造成嚴重的經濟財產損失之外，還會對生命安全產生威脅，影響社會的長遠發展。控制結構連續性倒塌的基本途徑是對倒塌結構進行分析，對抗倒塌的結構進行設計，本文對抗連續性倒塌的設計方法進行研究，從概念設計、拉結強度設計以及拆除構件設計等方面進行探究，針對其中出現的問題和不足，提出相關的解決意見，旨在為我國的連續性倒塌設計提供理論幫助。

結構連續性倒塌；設計策略；解決意見

自從20世紀60年代在英國發生的公寓爆炸導致結構連續性倒塌案開始，國內外展開了對抗連續性倒塌結構的設計研究。結構連續性倒塌造成的生命財產損失不計其數，美國世貿中心倒塌造成重大財產損失、中國湖南的衡陽大廈發生爆炸倒塌造成多名人員死亡，這些事實告訴我們解決連續性倒塌問題，加強抗連續性倒塌的設計具有重要意義。結構連續性倒塌的直接原因是受到了非正常的載荷影響，導致局部的破壞蔓延到了整個結構當中，迫使結構的承重構件發生破壞，因此，在進行連續性倒塌的設計時，需要從處理構件入手。

1　結構抗連續倒塌設計方法

對于工程建設的一般結構，在設計時，需要重點考慮結構的抗震、抗拉性能，對于結構的整體性能要求較高，而抗連續性倒塌設計主要針對意外作用導致的結構中局部構件發生損壞時，剩余結構的抗倒塌能力的強弱。兩種情況的設計目標不一樣，設計模型和方法也有所區別。針對結構抗連續倒塌的具體方法，做出如下簡要介紹：

1.1概念設計方法

設計方法主要是從整體結構的冗余度、結構的整體構造和延性等方面入手進行設計和研究，根本的目的是增強結構的抗連續倒塌性能。無論在國外還是國內，對抗倒塌概念設計研究的重視程度都很高。若結構在最初的設計時就已經將地震的影響考慮在內，則結構整體的抗倒塌性能將會大大提高。若沒有考慮地震的影響，則抗連續倒塌性能較弱，對此，必須提前對結構出現連續性倒塌的可能性進行分析，并預測倒塌出現的具體情況，有針對性地采取一些概念設計措施，能夠在保證工程最大效益的基礎上，大大提高結構的整體性能。

概念設計的具體內容主要包含：淤對構件與構件之間的連接進行加強，增強整體的穩定性；于將反向載荷考慮在內；盂對墻柱能夠承受的最大載荷進行分析；榆對結構的方案和具體的位置分布進行設計；虞對結構的冗余度進行分析，增強結構的載荷傳遞功能；愚為了使懸鏈線發揮出自身的重要作用，需要對結構使用連續性配筋[1]。

1.2拉結強度設計方法

拉結強度設計的主要內容是驗算連接強度，為了結構在外力作用下達到抗震要求而進行設計，根本目的是促使結構的載荷傳遞路徑能夠正常運行，增強結構的整體性能。在實際的設計過程中，我們通常使用懸鏈線構件來代替超靜定結構，以此來確定構件之間的最小強度需求值。但是此種設計方式的設計數據主要來源于經驗的判斷，在經濟和可靠性等方面具有很大劣勢。

1.3拆除構件設計方法

此方法主要是通過拆除部分構件來實現的，對初始的破壞過程進行模擬分析，采用合適的方法對剩余結構強度進行分析，統計剩余機構發生連續性倒塌的概率，一般情況下，有限元法是最常用的強度分析方法。在試驗模擬過程中，剩余的結構若發生了連續性倒塌，則需要對剩余的部件進行增強處理，來實現構件冗余的目的，也可以理解為提供后備構件來避免連續倒塌的發生。若無法對現有的構件進行增強處理，則需要適當的增強剩余構件的強度，增強這些構件抵抗連續倒塌的性能。在英國的拆除構件法的相關規范中，對于剩余構件能夠承受的載荷的值維持在34kN/m3左右[2]。

2　現有結構抗連續倒塌設計的問題及改進

2.1材料以及載荷的取值

在沒有收到破壞的一般情況下，結構連續倒塌的概率并不大，因此，在進行分析和設計時，可以忽略掉其他的載荷，只考慮永久與準永久載荷。在使用合適的計算的方法對結構的內力進行計算時，需要將結構倒塌時產生的動力效應考慮在內，若被拆除的構件與倒塌的結構相連，或者倒塌結構對相關構件的影響較大時，需要將何在動力的最大系數確定為2，其他的部位可以取值1[3]。

對于荷載的計算，遵循以下公式：

2.2拆除構件設計法存在的問題

就目前而言，拆除構件法是抗連續倒塌設計方法中效果最好的一種方法。要想提高設計的準確性和可靠性，在拆除構件設計的過程當中，必須對以下幾個問題進行詳細考慮：

淤結構倒塌時的復雜程度。對結構的倒塌和破壞程度進行分析時，對計算的準確性要求較高，需要計算人員具有較高的專業素質，若倒塌結構的復雜程度較低，只需要進行簡單的線性彈性動力分析和近似計算的方法進行計算即可。于對初始構件破壞程度的了解程度不夠。實際結構是由多個構件組合而成的，在進行分析和設計時，部分構件只能通過人為估計來確定，結果主要依靠預測人員的主觀意識，準確性有待提高。國外對于構件拆除的順序為從上到下，首先對長短邊的中柱進行拆除，之后再進行中間柱的拆除，在沒有特別說明和要求的情況下，我國也按照這個順序進行拆除[4]。盂建筑物受到襲擊、發生局部破壞之前，在恒載和活載作用下，存在初始內力和初始變形，而拆除構件法忽略了構件失效時結構的初始內力狀態，帶來結構內力重分布計算失真。因此，相關的計算人員需要對失效后的結構的初始內力狀態進行考慮，將其納入到計算范圍之內。

針對以上問題，對非線性動力計算方法進行分析，在傳統的分析模型的基礎上建立新型的結構單元模型，對鋼筋混凝土結構的倒塌過程進行模擬和再現，在一定的參數基礎上，進行實驗，發現該模型的實驗結果較合理。針對軸力和位移之間的關系進行計算，得到以下記結果，如圖1所示。為了考慮構件破壞前結構的初始內力，可以將破壞構件消失時的初始內力（桿端力）定義為“倒塌荷載”該初始內力作用于“剩余結構”，對“倒塌內力”、“倒塌變形”進行求解，并和“剩余結構”初始內力、初始變形疊加起來，即可得到局部構件破壞后“剩余結構”的真實內力、真實變形。

圖1　中柱卸載的位移圖

2.3抗拉強度設計法的不足與改進

抗拉強度法的實現需要通過對最小配筋率的控制來實現，為了增強結構的整體穩定性，增強在載荷傳遞方面的能力，拉結構件與連接。為了分析和研究我國與外國的抗拉設計的不同之處，對3層和8層的結構進行分析，若不進行任何改進和處理就將外國的設計方法運用在我國，會產生嚴重的后果，外國的抗拉強度計算圖如圖2所示，實踐證明，外國的抗拉強度設計法還存在以下不足之處：淤對于梁端塑性彎矩和較為集中的載荷的考慮不充分；于對空間傳力導致的載荷的考慮不夠充分；盂對高度超靜定次數考慮不全面；榆沒有充分考慮強度的折減和構件自身的塑性。

圖2　拉結強度計算簡圖

針對國外抗拉強度設計的不足之處，本文提出如下建議：去除構件的承載力單元，按照等效的原則促使集中載荷均勻分布；除了對外部進行拉結，還需要對內部和周邊進行拉結處理，并保證水平構件拉結力的大小與內部拉結力的大小保持一致；遇到懸挑等部位，拉結力的值應該偏大；柱腳的拉結需要從多個方向同時進行水平拉結。

3　結語

總而言之，結構連續性倒塌會造成巨大的財產損失，威脅生命安全，我國對于連續性倒塌的研究起步較晚，還停留在初步階段，雖然國外對于這部分的研究已經較為成熟，但是大部分理論成果都不符合我國的實際情況，必須在一定程度上進行改進，根據結構的復雜性來對倒塌進行設計和分析。

[1]徐瑞御，楊亞靜.淺論結構抗連續倒塌設計[J].城市建設理論研究（電子版），2013（17）.

[2]呂婷.高層建筑混凝土框架結構雙柱失效的抗連續倒塌研究[D].山東建筑大學，2015.

[3]趙軍，王立波.淺談RC結構抗連續倒塌設計方法[J].四川水泥，2015 （6）：73.

[4]董華行.框架結構抗連續倒塌設計方法中的參數研究[D].大連理工大學，2014.

TU375

A

1673-0038（2015）49-0099-02

2015-11-15

韓超偉（1988-），男，助理工程師，碩士，主要從事結構設計工作。