浅议建筑工程中混凝土框架结构的抗震性设计方案

金忠堂　陈小俊

摘要 ：对坟川地震灾区各类房屋建筑震害的调查发现：在高烈度区，理论上抗震性能较好的钢筋混凝土结构发生倒塌，而抗震性能相对较差的砌体结构却“裂而不倒”；抗震设计要求钢筋混凝土结构的“梁铰机制”没有出现，而是出现了大量的“柱铰”；高层建筑剪力墙结构连梁发生了不同的破坏形态；抗震缝设置带来的问题等。诸如此类现象，值得人们深思。

关键词 ：混凝土框架结构 连续性倒塌设计 具体方法

坟川地震是新中国成立以来最为强烈的一次地震。在此次地震中，钢筋混凝土框架结构的主要震害现象有：围护结构和填充墙严重开裂和破坏；填充墙设置不合理（或错层）造成短柱剪切破坏；柱剪切破坏，梁柱节点区破坏；填充墙设置不合理造成结构实际层刚度不均匀，导致底部楼层侧移过大，并导致倒塌，或导致结构实际刚度偏心使结构产生扭转地震响应；柱端出现塑性铰，未实现“强柱弱梁”屈服机制。部分地区如坟川县，房屋倒塌较少，伤亡人数较少，但据统计显示，该地区房屋破坏程度较严重，超过中等破坏的房屋栋数占总鉴定房屋栋数的91.57%。混凝土框架结构的连续性倒塌设计是建筑设计中非常重要的部分，很多建筑出现坍塌事故都是与混凝土框架构件出现问题造成的，本文从混凝土框架结构的连续性倒塌设计现状以及构件与易损构件进行分析，同时说明设计方法。

1.目前我国建筑施工项目中的混凝土框架结构特点

1.1 我国建筑施工項目中的荷载与作用

根据荷载与作用随时间的变异性，我国建筑结构设计标准将荷载与作用分为：永久荷载与作用、可变荷载与作用、偶然荷载与作用。其中，永久荷载与作用和 可变荷载与作用的量值、作用位置和作用特性都是可以估计的，且估计值具有一定保证率，据此按现行结构设计方法，通常可以保证所设计的结构具有足够的安 全度，也即失效概率足够小。然而，偶然荷载与作用属于极小概率事件，其量值、作用位置和作用特性都无法估计，并且具有量值很大、作用时间很短的特点，这就 给结构设计带来很大的困难。鉴于偶然荷载与作用的不可估计性和其作用特征的 复杂性，以及结构设计经济性的考虑，通常一般结构设计时对偶然荷载与作用都 不进行计算设计。但一旦出现偶然荷载与作用，则往往因其量值过大而导致直接 遭受偶然荷载与作用部位的结构构件破坏。 因此，针对偶然荷载与作用，结构应能满足以下要求： 容许结构局部发生严重破坏和失效，未破坏的剩余结构能有效承 受因局部破坏后发生的荷载和内力重分布， 不至于短时间内造成结构的破坏范围 迅速扩散而导致大范围、甚至整个结构的坍塌。

1.2 结构连续性倒塌的事故原因分析

结构的连续倒塌是指由于偶然意外荷载和作用造成结构的局部破坏， 并导致结构产生非稳定的连续性破坏发展。 结构一旦发生连续倒塌， 会造成很严重的生命财产损失，并产生重大社会影响，因而日益受到公众的关注和研究者的重视。自 1968 年英国 Ronan Point 的 18 层装配式大板结构公寓因煤气爆炸造成连续倒塌事件发生以来，国外对该问题已经进行了多年的研究，其间经历了1995 年美国 Alfred P Murrah 联邦政府办公楼和 2001 年世贸双塔等多起重大连续性倒塌事件。目前，国外一些规范中均有关于改善结构抗连续倒塌能力的具体规定。在我国，结构连续性倒塌事故也时有发生， 1990 年辽宁盘锦发生由于燃气爆炸导致主体结构倒塌的事故， 2007 年山西大同发生一起同样是由于燃气爆炸导致的某居民楼部分坍塌事件。但我国在结构抗连续倒塌的研究和实践上，已有成果还比较有限。我国《混凝土结构设计规范 GB50010-2002》仅规定：结构应具有整体稳定性，结构的局部破坏不应导致大范围倒塌。规范说明中只对该条款作了简单的概念性补充，没有提出的具体设计方法和准则，缺乏可操作性。

2.混凝土框架结构中的构件设计

关键构件是结构中一旦失效就会引起不相称破坏的构件。关键构件处在传力路径上的关键环节，一旦失效后就会引起传力路径中断，引起连续性坍塌。关键性构件的辨别可以通过商用结构计算软件，依次抽除构件后，经计算分析结构损伤程度来进行，对简单的结构也可根据经验来判断。易损构件是在所有可预期地震载荷作用下结构中最先开始破坏并失去承载力的构件。对结构用商用计算软件计算分析即可得到结构的易损构件。而假使结构中某个关键构件同时又是结构的易损构件，那么在地震载荷下，此构件极易破坏失效，引起不相称破坏的连续性倒塌。可表示成如下式子： 关键构件 = 易损构件 = 结构倒塌

3.混凝土框架结构中的抗连续性倒塌设计

就大多数结构体系而言，有效阻止结构连续性倒塌的方法是将结构划分为多个子结构，当其中某一个子结构遭受偶然荷载作用而出现局部被破坏时，倒塌只会在这个较小的范围内扩展，并不会对整体结构造成影响。这样一来便能够避免结构整体发生破坏，此种设计方法现已被广泛应用于多层混凝土框架结构设计当中，具体是通过设置伸缩缝、抗震缝以及沉降缝等方法把整体结构分为多个子结构。对这些被划分的子结构进行合理设计是确保它们获得整体性的一个重要因素，提高结构抗连续性倒塌能力的关键就在于确保结构体系可以将原本出现在局部破坏区域上的所有荷载都传递到与之邻近的区域当中，这就要求结构体系应当具备足够的连续性、冗余度以及各个构件间的可靠连接。通常情况下，偶然荷载作用是无法准确量化的，所以应当通过相应的构造措施或是对结构局部进行强化设计来进一步增强结构整体的抗连续性倒塌能力。

3.1 超静定结构设计

对于混凝土框架结构而言，采用超静定结构体系能够显著提高结构抗连续性倒塌能力。当结构在偶然荷载作用下出现局部构件被破坏时，超静定结构体系能够提供二级荷载路径，这样一来即便重要支承构件失效，主要结构仍然能够在一定时间内保持结构整体的稳定性。同时，采用超静定体系的混凝土框架结构中，塑性铰可以在构件的多个部位形成，这无形中增强了结构局部破坏时备用荷载路径形成的几率，从而使结构本身的抗连续性倒塌能力进一步提高。

3.2 选用延性好的材料

通过对偶然荷载作用下的局部破坏但并未引起整个结构连续性倒塌的情况进行分析发现，当结构在遭受偶然荷载作用时，导致局部构件受损的主要原因是构件承受的作用力超出其自身的承载极限，这样一来便会使构件进入塑性状态。为此，在实际设计中，应当选择一些延性较好的材料用于各个单元或是节点之间的连接，以此来提高结构的塑性变形能力。此外，延性好的材料还能够有效防止结构发生脆性破坏，从而能够为人员的逃生和救援工作争取一定的时间。

3.3 拉结强度设计

拉结强度设计具体是指通过对构件之间连接强度的计算，使之符合相关的强度要求，以此来确保结构的整体性以及备用荷载传递路径的承载能力。在混凝土框架结构中，对水平构件拉结强度的设计可看做是一种近似于拆除构件的设计方法，简单来讲，就是将假定拆除竖向构件后，跨越它的水平构件简化为悬链线和梁机构，并计算出构件间贯通钢筋的最小强度。由于梁机构的内轴力较小，所以梁支座并不需要提供水平方向的约束，这样结构角部位处的框架梁就只能够以梁机构提供抗连续倒塌承载力。采用拉结强度设计不需要对混凝土框架结构进行受力分析，该设计方法简单易行。需要注意的是，在具体应用中，应当充分考虑风荷载对结构的影响，这样能够进一步提高设计质量。

综上所述， 混凝土框架结构稳定性不够是建筑出现坍塌事故的重要原因之一，因此设计人员应当重视混凝土框架结构连续性倒塌设计，加强建筑物的倒塌抗性能，不断优化建筑项目施工中的混凝土框架结构连续性倒塌设计方案，提高建筑物施工质量，为居民的生活安全提供保证。

参考文献：

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