結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計研究

摘要：結(jié)構(gòu)安全性問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮的首要問題，對于安全等級要求較高的建筑還應(yīng)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計，即結(jié)構(gòu)某部位在偶然荷載作用下發(fā)生局部破壞時，結(jié)構(gòu)能保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。本文闡述了國內(nèi)外在結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌方面研究的主要成果，提出提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的措施。

關(guān)鍵詞：連續(xù)倒塌，抗連續(xù)倒塌設(shè)計

1引言

結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是指由于偶然荷載作用造成結(jié)構(gòu)的局部破壞，并引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致破壞向結(jié)構(gòu)的其它部位擴(kuò)散，最終導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)或整個結(jié)構(gòu)的一個主要部分發(fā)生破壞[1]。造成結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的原因很多，總體上可以分為三類：第一類是施工或設(shè)計的失誤；第二類是地震、火災(zāi)等偶然荷載；第三類是煤氣爆炸、恐怖襲擊等偶然事件。結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生連續(xù)倒塌，就會造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，因此有必要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計。

結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力定義為當(dāng)結(jié)構(gòu)因偶然事件或局部嚴(yán)重超載而造成部分構(gòu)件突然失效時，結(jié)構(gòu)能自行調(diào)整內(nèi)力，阻止破壞過程的延續(xù)，從而保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生整體破壞的能力?，F(xiàn)行國外的規(guī)范中都有詳細(xì)規(guī)定，而在我國規(guī)范中也有簡要說明。例如《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對偶然荷載工況進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，原則之一即是“允許主要承重結(jié)構(gòu)因出現(xiàn)設(shè)計規(guī)定的偶然事件而發(fā)生局部破壞，剩余部分具有在一段時間內(nèi)不發(fā)生連續(xù)倒塌的可靠度”。上述所提到的“連續(xù)倒塌”可以理解為結(jié)構(gòu)由于偶然事件或局部嚴(yán)重超載，造成整個結(jié)構(gòu)體系內(nèi)的部分單元超出承載能力而失效，原來作用于結(jié)構(gòu)上的荷載在剩余結(jié)構(gòu)上重新分布，剩余結(jié)構(gòu)承載條件發(fā)生變化，進(jìn)而引發(fā)部分構(gòu)件發(fā)生失效而引起新一輪的荷載分布，這個過程一直持續(xù)到結(jié)構(gòu)找到平衡狀態(tài)。在此定義中，整個結(jié)構(gòu)或某大部分結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是由偶然事件造成的局部破壞的擴(kuò)展和蔓延導(dǎo)致的。

2倒塌分析方法

一般結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)調(diào)整體結(jié)構(gòu)抵抗荷載作用的能力，即結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)能夠承受最大的荷載值，而結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計考察結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞后，剩余部分抗倒塌的能力。因此，結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計不同于一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計。目前，各國規(guī)范中涉及到的分析方法主要有：概念設(shè)計措施、拉結(jié)強(qiáng)度法、關(guān)鍵構(gòu)件法和拆除構(gòu)件法。

2.1概念設(shè)計措施

概念設(shè)計主要是在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通過采取一些構(gòu)造措施使結(jié)構(gòu)具有足夠的整體性、延性和牢固性，從而改善結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的能力。通常情況，風(fēng)荷載和地震荷載作用已經(jīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中予以考慮，結(jié)構(gòu)本身就具備足夠的整體性、延性和牢固性，能在一定程度上抵制連續(xù)倒塌[2]。根據(jù)具體情況采取一些概念設(shè)計措施，通?？梢栽诓辉黾舆^多造價的基礎(chǔ)上取得良好的效果[3]。概念設(shè)計一般的做法如下：合理的結(jié)構(gòu)布置，避免存在薄弱處；加強(qiáng)連接構(gòu)造，保證結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性；提高冗余度，保證多條荷載傳遞路徑；采用延性材料和延性構(gòu)造措施，實現(xiàn)延性破壞；；墻和柱能承受一定的橫向荷載。

2.2拉結(jié)強(qiáng)度法

拉結(jié)強(qiáng)度法是指在結(jié)構(gòu)中通過現(xiàn)有構(gòu)件和連接進(jìn)行拉結(jié)，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的整體性、牢固性和多條荷載傳遞路徑[4]。該方法主要是在結(jié)構(gòu)設(shè)計時控制最小配筋率，并對構(gòu)件進(jìn)行有效拉結(jié)，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的整體性、牢固性和多條荷載傳遞路徑。結(jié)構(gòu)中的拉結(jié)按照方向可分為水平拉結(jié)和垂直拉結(jié)，按照位置和作用又可分為內(nèi)部拉結(jié)、周邊拉結(jié)、外柱及角柱拉結(jié)和墻拉結(jié)以及垂直拉結(jié)四種類型[5]。拉結(jié)時應(yīng)遵循：內(nèi)部拉結(jié)時應(yīng)使傳力路線貫穿結(jié)構(gòu)；周邊拉結(jié)時應(yīng)保證傳力路線沿外表面連續(xù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可利用現(xiàn)有構(gòu)件進(jìn)行拉結(jié)，也可充分發(fā)揮鋼筋的錨固進(jìn)行拉結(jié)；外墻柱和角柱拉結(jié)時傳力路線可不貫通結(jié)構(gòu)，但必須與結(jié)構(gòu)內(nèi)部有效連結(jié)；垂直拉桿應(yīng)設(shè)置在柱或承重墻中。拉結(jié)強(qiáng)度設(shè)計無需對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，比較簡便易行，但由于計算模型過于簡化，其參數(shù)的經(jīng)驗性成分較多。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其可靠性和經(jīng)濟(jì)性也存在問題。

2.3關(guān)鍵構(gòu)件法

結(jié)構(gòu)中某承重構(gòu)件因意外荷載作用破壞退出工作后，可能造成大范圍倒塌，應(yīng)將其按關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，通過采取一定的構(gòu)造措施，使其具有足夠的強(qiáng)度抵御意外荷載的作用。在British Standard 和Eurocode1 中，要求關(guān)鍵構(gòu)件每個方向能夠承受額外的荷載作用。將上述描述的構(gòu)件設(shè)計為關(guān)鍵構(gòu)件，當(dāng)此處發(fā)生破壞時能在一定程度上將局部破壞限制在允許的范圍內(nèi)，降低結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的可能性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)將該法與拆除構(gòu)件法相結(jié)合，在保證經(jīng)濟(jì)性前提下，有效改善結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力。

2.4拆除構(gòu)件法

拆除構(gòu)件法假定某主要承重構(gòu)件破壞，分析結(jié)構(gòu)是否形成“搭橋”能力，從而判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生連續(xù)倒塌。拆除構(gòu)件法可采用線性靜力分析、非線性靜力分析、線性動力分析和非線性動力分析。（1）線性靜力分析是四種方法中最簡單易行的方法。其主要步驟是在施加荷載之前靜力移除某承重構(gòu)件，并對剩余結(jié)構(gòu)靜力施加重力荷載。該方法簡單易行，對荷載的處理比較簡單，得到的結(jié)果偏保守該方法的優(yōu)點是步驟簡單，但沒有考慮材料非線性和動力特性，不宜用于復(fù)雜和大型結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力分析。（2）非線性靜力分析即抗震分析中的“pushover 分析”方法，它是對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行非線性全過程分析，通過逐步加大荷載值直到最大荷載值或最大位移，用該方法可以評價承受側(cè)向荷載結(jié)構(gòu)的延性性能?？紤]了材料非線性的影響，但分析相對復(fù)雜，需要確定力與位移關(guān)系曲線，沒有考慮動力特性的影響，結(jié)果偏保守，適用于相對簡單的結(jié)構(gòu)。（3）線性動力分析可以動態(tài)分析結(jié)構(gòu)豎向支撐構(gòu)件移除過程，模擬結(jié)構(gòu)真實的線彈性運(yùn)動全過程。與等效靜力法相比，線性動力分析法得到的結(jié)果更精確，對考慮結(jié)構(gòu)動力特性的影響更合理。該方法考慮了動力特性的影響，但沒有考慮材料的非線性，建立模型和分析過程復(fù)雜耗時，還需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行時程分析，當(dāng)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生較大塑性變形時，對動力特性影響的考慮可能不合理。（4）非線性動力分析較上述三種分析方法能夠更合理地對結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下進(jìn)行連續(xù)倒塌分析，該方法同時考慮了材料非線性和動力效應(yīng)，得到更合理的結(jié)果，但建立模型和分析過程復(fù)雜耗時，而且很難對分析結(jié)果做出正確評價，通常情況下，需要對分析結(jié)果進(jìn)行獨立驗證，如果基本假定不合理或建模不合理都可能影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，在分析過程中，為了縮短結(jié)果收斂的時間，通常需要限制非線性單元的數(shù)量。

3提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的措施

目前常用的可以提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的措施：

（1）底層部位受力不利，宜抬高底層地面標(biāo)高，降低被機(jī)動車輛撞擊的概率。

（2）對于角柱部位，應(yīng)采取防護(hù)措施避免其遭受外荷載作用。

（3）在滿足使用功能要求前提下，宜減小柱距和梁跨度，或采用連續(xù)梁板結(jié)構(gòu)。

（4）延性指結(jié)構(gòu)屈服后，具有足夠塑性變形能力的特性。具有延性的結(jié)構(gòu)能抵抗沖擊荷載和爆炸荷載作用，避免發(fā)生脆性破壞。可對角柱部位以及靠近底層部位進(jìn)行特殊設(shè)計保證其具有一定的延性，比如以強(qiáng)柱弱梁為設(shè)計原則或采用具有延性的材料。

（5）保證結(jié)構(gòu)的超靜定性，可采用以下方法增強(qiáng)結(jié)構(gòu)超靜定性：采用連續(xù)梁體系，保證體系多余約束；增加豎向承重構(gòu)件數(shù)量，降低承重構(gòu)件的承載值；盡量采用小開間結(jié)構(gòu)。

4小結(jié)

隨著建筑工程的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力對結(jié)構(gòu)的安全性逐漸顯現(xiàn)。我國在抗連續(xù)倒塌方面研究起步比國外晚，且目前規(guī)范中還未提出相關(guān)規(guī)定，本文總結(jié)了國內(nèi)外結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的分析方法，提出了提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的方法。目前，對抗連續(xù)倒塌的分析成果有限，仍需開展大量研究工作，使其更好地應(yīng)用于工程設(shè)計實踐。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：姓名：華夏（出生：1972-），性別：女，民族：漢，籍貫：河南省固始縣人，職稱：工程師，學(xué)歷：本科，單位：固始縣城建局宏基建筑勘察設(shè)計室，研究方向：工業(yè)與民用建筑的設(shè)計及施工的合理化研究工作