框架結(jié)構(gòu)極端條件下連續(xù)性倒塌的綜合防范措施研究

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【摘 要】框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的措施，其實際效果需要設(shè)計人員根據(jù)具體工程情況靈活運用，關(guān)鍵是要能夠把握整個結(jié)構(gòu)體系的安全性。同時，也要從各種工程結(jié)構(gòu)事故中汲取教訓(xùn)，不斷豐富抗連續(xù)倒塌的結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗。

【關(guān)鍵詞】框架結(jié)構(gòu)；連續(xù)性倒塌；概念設(shè)計；漲停穩(wěn)定性；空間剛度；強(qiáng)柱弱梁

0 引言

目前常用的連續(xù)倒塌設(shè)計方法主要有偶然事件控制法，間接設(shè)計方法和直接設(shè)計方法。偶然事件控制法即消除引起連續(xù)倒塌的原因，從根本上消除結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的可能性。間接設(shè)計法實際上是一種概念設(shè)計，主要是通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性、連續(xù)性、延性和冗余度，從而提高結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)倒塌的能力。直接設(shè)計法主要采用改變傳力途徑法進(jìn)行分析和設(shè)計，通常也稱為計算設(shè)計。本文主要介紹偶然事件控制法和間接設(shè)計法。

1 結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的界定

結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌是指結(jié)構(gòu)在正常使用條件下由于偶然事件引起局部破壞并沿構(gòu)件傳遞，最終導(dǎo)致整個建筑物倒塌或者造成與初始破壞不成比例的倒塌。引起結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的原因主要有施工錯誤、煤氣爆炸、機(jī)動車輛撞擊、火災(zāi)等。連續(xù)性倒塌一旦發(fā)生，一般造成慘重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。近年來由于各種意外事件造成的建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌事故，使得該問題日益受到公眾的關(guān)注和研究者的重視。

2 偶然事件控制法

偶然事件是引起結(jié)構(gòu)遭受偶然荷載作用，進(jìn)而導(dǎo)致其發(fā)生連續(xù)倒塌的最初原因。偶然荷載的發(fā)生頻率和建筑物的規(guī)模、用途、人員居住情況、所包含的單元數(shù)以及車輛是否易于到達(dá)建筑物等因素都有關(guān)系。防止結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的根本在于控制偶然事件的發(fā)生，把偶然事件的發(fā)生概率降至最低。這主要靠政府和全社會的共同努力。譬如： 加強(qiáng)安全檢查和保安巡邏的力度，避免汽車炸彈、恐怖襲擊等這種意外事件的發(fā)生； 控制機(jī)動車輛的進(jìn)出或在建筑物四周設(shè)置隔離帶，防止機(jī)動車輛對建筑物的撞擊； 限制燃?xì)庠谥匾步ㄖ械膽?yīng)用，消除燃?xì)獗ǖ碾[患。

3 間接設(shè)計法

間接設(shè)計法即概念設(shè)計法，主要是采取一些建筑和結(jié)構(gòu)措施來提高結(jié)構(gòu)體系的延性和連續(xù)性，維持結(jié)構(gòu)在偶然事件中的整體性。

3.1 防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的建筑措施

若采用防護(hù)措施仍不能避免偶然事件的發(fā)生時，我們可以通過建筑上合理的安排，減輕結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的風(fēng)險。

1）隔離不安全區(qū)域。停車場和存放易燃易爆物品的倉庫是偶然事件高發(fā)地區(qū)，在建筑規(guī)劃和布局時，盡量使重要結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離這些危險區(qū)域。

2）設(shè)置安全隔離帶。通過合理的場地規(guī)劃，在結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置出足夠的緩沖空間，以減輕偶然荷載對結(jié)構(gòu)的作用。因此，在結(jié)構(gòu)的周圍設(shè)置安全隔離帶，使機(jī)動車輛無法輕易到達(dá)重要結(jié)構(gòu)區(qū)域，從而無法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行撞擊。通常，可以用綠化帶、樹木、河道甚至柵欄、隔離墩等來設(shè)置安全隔離帶。

3）合理設(shè)置疏散出口。緊急疏散出口和樓梯間的設(shè)置應(yīng)盡量分散于建筑物的各個角落，并盡可能遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域和危險區(qū)域。同時，應(yīng)設(shè)置醒目的指示牌，使遇險人員能知道最快的逃生方向，避免恐慌造成的人員傷亡損失。

4）合理劃分功能區(qū)。通過合理設(shè)置伸縮縫、沉降縫或抗震縫把建筑物劃分為若干個區(qū)，并根據(jù)使用性質(zhì)分成不同的功能區(qū)，使得偶然事件發(fā)生時結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌限于一個區(qū)內(nèi)，從而減小人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

5） 減小柱距和梁的跨度。盡量減小柱距和梁的跨度，采用連續(xù)梁板結(jié)構(gòu)，能有效的提高梁的跨越能力。因此，在滿足框架類結(jié)構(gòu)體系的一般建筑要求的前提下，建議柱距不要太大。

6）降低結(jié)構(gòu)的層高。結(jié)構(gòu)的層高是影響結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的重要因素，特別是當(dāng)樓板或主梁因偶然作用發(fā)生坍落時，柱子因為側(cè)向支承的喪失而導(dǎo)致計算長度突然增大，在這種情況下柱子可能發(fā)生整體失穩(wěn)從而導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生一系列的連鎖失效。因此，在滿足建筑及功能要求的情況下，應(yīng)盡量降低結(jié)構(gòu)的層高。

3.2 防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的結(jié)構(gòu)措施

從控制偶然事件的發(fā)生和采用合理的建筑規(guī)劃設(shè)計雖然能在一定程度上降低結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的發(fā)生，但更重要的是采取增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性、連續(xù)性、延性和冗余度的結(jié)構(gòu)措施，以達(dá)到防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的目的。

1）采用延性較好、自重輕的材料。應(yīng)盡量選用延性好的建筑材料用于單元和節(jié)點連接，提高結(jié)構(gòu)塑性變形和內(nèi)力重分配的能力。同時，使用延性好的材料，還可以避免結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，給人員的逃生和營救爭取時間。結(jié)構(gòu)的自重對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌中增大內(nèi)力和形成沖擊荷載具有重要影響，選用自重結(jié)構(gòu)材料有利于防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的發(fā)生。

2）確保側(cè)向剛度均勻變化。結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度宜均勻、連續(xù)的變化，避免結(jié)構(gòu)上柔弱層和薄弱層的出現(xiàn)。豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力的突變。從而避免因偶然作用導(dǎo)致薄弱層大面積倒塌，進(jìn)而發(fā)生整體性倒塌。

3）加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接構(gòu)造。對于框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)某根柱發(fā)生破壞失去承載力，其直接支承的梁應(yīng)能跨越兩個開間而不塌落，這就要求跨越柱上梁中的鋼筋貫通并具有足夠的抗拉強(qiáng)度，通過貫通鋼筋的懸鏈線傳遞機(jī)制，將梁上荷載傳遞至相鄰的柱。拉結(jié)構(gòu)造是最簡便的保證結(jié)構(gòu)整體性的措施。對于混凝土框架結(jié)構(gòu)，一般要求在外圍周邊構(gòu)件中的縱向受力鋼筋應(yīng)拉通布置（縱向、橫向、豎向），結(jié)構(gòu)的內(nèi)部拉結(jié)應(yīng)沿互相垂直的兩個方向分布在各個樓層，并與外部拉結(jié)有效連接。

4）采用耗能裝置。偶然事件對結(jié)構(gòu)體系的不利影響難以預(yù)料，但無論是哪類偶然荷載作用，都對結(jié)構(gòu)有沖擊作用。為減小沖擊荷載對結(jié)構(gòu)的影響，在條件允許的情況下，可以選擇合適的耗能裝置。

5）關(guān)鍵構(gòu)件保護(hù)。關(guān)鍵構(gòu)件對于整個結(jié)構(gòu)體系的承載能力有著舉足輕重的作用。其一旦失效將會直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)大面積或整體的倒塌。因此針對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)對其進(jìn)行重點保護(hù)，從而在結(jié)構(gòu)遭受偶然荷載作用時，這些關(guān)鍵構(gòu)件不會立即發(fā)生失效，同時外加荷載可通過其他構(gòu)件的塑性發(fā)展而重新分布，從而達(dá)到提高整個結(jié)構(gòu)整體性和堅固性的目的。

6）樓板設(shè)計。在偶然荷載作用下，樓板的受力方向可能和正常使用條件下的受力方向不同，而且當(dāng)傳遞樓面荷載的某根梁或柱失效時，樓板的主受力方向也可能發(fā)生變化，因此設(shè)計時應(yīng)當(dāng)對樓板進(jìn)行特殊設(shè)計，并進(jìn)行雙層雙向配筋，使得樓板有能力在跨度方向和受力方向改變的情況下繼續(xù)承載，從而阻止樓板的坍塌，減小落于結(jié)構(gòu)其他部分的殘骸堆載。

7）節(jié)點設(shè)計。結(jié)構(gòu)體系的安全與否除和構(gòu)件的強(qiáng)度以及整體穩(wěn)定性相關(guān)外，連接節(jié)點的強(qiáng)度和延性也直接影響結(jié)構(gòu)體系的承載力和塑性變形能力，從而影響整個結(jié)構(gòu)體系的安全性，因此節(jié)點設(shè)計是提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的一個不可或缺的環(huán)節(jié)。

4 結(jié)束語

總之，引起連續(xù)性倒塌的因素具有隨機(jī)性，目前還不能定量地對結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)性倒塌的能力進(jìn)行評估。連續(xù)倒塌不只是新建房屋應(yīng)考慮的問題，也涉及已有一些重要建筑的鑒定和加固，應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計和研究的重視。為結(jié)構(gòu)安全，加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)抗倒塌的研究，包括事故和災(zāi)害中倒塌結(jié)構(gòu)的調(diào)查、偶然作用的研究、結(jié)構(gòu)倒塌的后期加載試驗、定量設(shè)計預(yù)建或已有結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)倒塌能力、編制相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]