提高框架结构抗连续倒塌能力的策略研究

谢梦雪

(宁夏人防设计院，宁夏 银川750001)

0 引言

从20 世纪60 年代以来，国内外频发的结构倒塌事故给人类造成了巨大的生命和财产损失，结构的连续倒塌已成为威胁社会公共安全的严重问题，结构抗连续倒塌设计也己成为一个研究的重要课题。

1 控制偶然事件的发生

为了把偶然事件发生的概率降到最低，达到“防患于未然”的目标，可在政府力量参与下加强国民的安全意识、增强社会的安保监控系统，以防范恐怖组织的袭击；同时要消除可能导致偶然事件发生的潜在因素，诸如采取如下措施：

（1）避免在一设施的正下方设置停车场。

（2）建筑物的选址远离爆炸源。 建筑应远离生产、存放易燃易爆物质的区域，同时严格规范燃气的使用和易爆物品的存放。

（3）建立安全隔离带保护建筑结构免受机动车辆的撞击。 如设置绿化带、树木及保障性栅栏等，使车辆不能轻易抵达受保护的建筑物。

（4）抬高建筑结构的底层楼面标高。 以避免车辆撞击和汽车炸弹袭击等偶然事件发生时对建筑物的影响。

2 防止结构发生局部构件破坏

如果采取了各类防护措施仍然不能阻止偶然事件的发生时，防止建筑结构发生连续倒塌的下一个重要步骤就是尽量避免因偶然荷载作用引发的可能导致结构连续倒塌的局部结构破坏的发生。 这一阶段的主要任务是对结构整体进行合理的建筑规划和平面布置，以维持结构在偶然事件中的整体性。 一可以通过在建筑上适当的安排来降低建筑结构发生连续倒塌的风险，主要措施有：

（1）合理有效的平面布置。 柱子和墙的合适平面布置是为获得机构整体性设计的一个重要方面。 建筑的平而布置应简单、规则，诸如“U”形和“L”形等不规则的平面布置，在偶然荷载作用下的耗能性较差。 因此，当建筑结构的抗连续倒塌功能要求较高时， 应尽量避免在建筑平面图上出现凹角，因为这是爆炸压力最可能集聚的部位。

（2）分隔成小开间的建筑物。 在不影响建筑功能要求的前提下，可以通过合理设置伸缩缝、抗震缝和沉降缝把建筑物划分为若干个区，偶然事件发生时结构就有能力把破坏限制在尽量少的区内，以减小生命财产损失。

（3）避免建筑物在竖向作较大的变动。 结构整体应避免出现柔弱层和薄弱层，保证结构竖向刚度的连续。 若结构体系中存在薄弱层，偶然事件的发生易导致该层上的某根主要受力构件失效，结构就可能遭受到毁灭性的倒塌破坏。 如建筑采用抽柱法在底层设置大空间，其上层就需要用跨度很大的转换梁将荷载传递下来，当转换梁两侧的柱遭受偶然荷载作用时，建筑物会因此发生连续倒塌。

（4）避免建筑物层高过大。 建筑物的层高是影响结构抗连续倒塌能力又一主要因素，当主梁或楼板因偶然荷载作用坍落时， 柱子因侧向支承的一丧失导致计算一长度瞬时加大，其可能因整体失稳造成一系列破坏。 参考国内外规范规程，本文建议，除了在建筑上有特殊要求的结构，其层高最好不超过4.8m。

（5）尽量减小柱距和梁的跨度。 采用连续板梁结构，以提高梁的跨越能力。 参考国外相关文献的一记录及规范的规定，在合乎框架类结构体系的建筑功能的前提下，本文建议，建筑结构的柱距不宜大于9.0m。

（6）外包受力构件。 应避免在建筑物的外表设置诸如柱子之类的外露结构构件。 如必须设置，则应用韧性较好的围护材料包裹裸露的受力结构构件，以降低其直接接触偶然作用的可能性。

（7）合理设计建筑物突出构件。 如雨篷、挑檐等，应对其进行特殊针对性设置， 以防止偶然荷载作用时发生塌落，威肋、行人生命安全。

3 提高结构及构件抗连续倒塌能

3.1 提高结构抗连续倒塌所应该具备的性能

（1）超静定性

结构的超静定性是相对于结构静定而言的，由于比设计需要的增加了多余的约束，从而使结构在局部荷载超限的情况下， 也能使结构的内力在各构件内进行重分配，从而提高了结构的整体承载力，无形中使结构具备了抗力储备。

作为抗连续倒塌设计的主流方法之一，改变传力路径法即是通过“删除”某关键构件后验算剩余结构抗连续倒塌能力的，此法意味着结构需要存在多余约束以抵抗结构的连续倒塌，因此结构的超静定性是结构抗连续倒塌设计必须考虑的主要因素。

为此，增加结构的超静定性不能简单地从增强个别关键构件的角度加以处理， 还应从结构的整体布局上综合考虑：适当增加竖向荷载承重构件的数量，以使竖向荷载能够分散到多个承重构件上； 尽量减少转换层和大开间结构的使用，不可避免时，要对其跨越能力进行详细地结构分析；多采用连续梁体系。 合理地增加多余约束可以使结构在倒塌破坏前出现应力屈曲状态，避免出现应力集中，有效地控制了结构破坏的范围。

（2）坚固性

结构的坚固性体现于从结构构件到结构整体承受荷载的能力上，也是常规结构设计中结构承受一般荷载的重要设计指标。 增强结构的坚固性能够提高结构构件所能承受的应力水平，减少偶然荷载作用时结构的倒塌破坏范围，增强了局部构件破坏后的剩余结构的跨越能力，有效地降低了结构发生连续性倒塌的可能性。

为提高结构的坚固性，可采取如下4 种措施：①抗意外作用。 应用结构的承载力和构件与连接的坚固性、延性及多道独立的传力途径。②避免极端作用。采用一个弱构件，利用“释放”或“保险丝”作用来减轻峰值意外荷载作用，限制结构的破坏，降低对生命的威肋。③对意外作用的防护。当不能预见偶然事件的发生时，可采用“防”的手段降低易损性。 ④对结构（或局部构件）必要的牺牲。 结构设计时就考虑结构局部或整体构件失效，从而降低危机发生的后果。

（3）延性

一般情况下， 结构超过极限状态的反应有两种可能，延性破坏和脆性破坏， 其中脆性意味着结构立刻失去承载力，而延性的表现为：当结构丧失承载能力之前，其会呈现出较大的非弹性变形，从而提供结构失效的警报。

（4）连续性

与常规的结构设计相比，结构抗连续倒塌设计提高了对安全等级的要求，对结构的整体性要求也随之提高。 保证结构的整体性，除了保证结构有超静定性和坚固性外，结构与构件的连续性显得尤为重要。 由于结构抗连续倒塌考虑到承重构件失效的情况，对考虑失效承重构件上的梁与梁的连接处要求有更好的连续性。

3.2 采取的措施

通过工程案例分析，结合上述介绍，为提高结构的抗连续倒塌能力，结构自身应具备“四性”，通常可采取以下措施加以解决：

（1）采用超静定结构体系；

（2）延性功能的细部设计；

（3）整体束缚的方法；

（4）连续的转延侧墙；

（5）板在正交方向的附加支撑；

（6）横向承重墙；

（7）楼板的悬链作用；

（8）墙的深梁作用；

（9）梁的悬链作用。

4 结束语

总之，防止结构的连续性倒塌应该从最初的建筑设计就开始加以考虑，充分考虑结构设计和建筑设计各个阶段可能导致结构抗连续倒塌能力降低的各种因素。 防止结构连续倒塌的措施要从多方面加以考虑。

［1］梁益，陆新征，李易，等.3 层RC 框架的抗连续倒塌设计[J].解放军理工大学学报：自然科学版，2007（06）.

［2］易伟建，何庆锋，肖岩.钢筋混凝土框架结构抗倒塌性能的试验研究[J].建筑结构学报，2007（05）.

［3］陈俊岭，马人乐，何敏娟.防止建筑物连续倒塌的措施[J].特种结构，2005（04）.