建筑结构抗地震倒塌能力的设计方法及改善措施

谭 年

湖南百利工程科技股份有限公司，湖南岳阳 414000

建筑结构在地震作用下发生倒塌是造成地震后建筑人员伤亡的主要原因，结构倒塌一般具有连续性，即局部构架失效并倒塌后，往往还会引起与这一构件相邻的其它构件失效倒塌。为避免这种现象的发生，必须做好抗倒塌设计，采用合理有效的设计方法与改善措施。

1 建筑结构连续倒塌与抗倒塌机制分析

为便于分析，现以某3层平面框架结构为例进行分析，如图1所示。该结构的1C3最先开始失效，失效之后，F3经连梁传递至1C2、1C4，增大两者内力。当内力超出承载力时，开始失效，导致结构倒塌；若内力没有超出承载力，则不失效，但连梁承载力较低，也会造成倒塌[1]。现针对后者开展分析。在这种情况下，F3经连梁剪力传递至相邻柱（见图2），根据平衡条件可得：

式 （1） 中，Vi——连梁剪力；Mi——梁端弯矩；Li——连梁跨度。

以上即为能防止结构倒塌的“梁机制”，即结构抵抗F3的能力（表示为Rb） 主要由梁体抗剪能力赋予，可表示为：

式 （2） 中，Viu——梁体抗剪能力。

Rb最大值取决于梁体抗剪承载力与抗弯承载力。如果梁体受剪破坏比受弯破坏先发生，则Rb被受剪承载力所控；相反，如果梁体受弯破坏比受剪破坏先发生，则Rb被受弯承载力所控。由于受剪破坏属于脆性过程，所以必须避免，如同建筑结构抗震，在结构抗倒塌设计过程中，对于框架梁，也必须严格遵循“强剪弱弯”的基本原则[2]。如果梁端弯矩等于塑性铰弯矩，则由梁机制赋予的Rb最大值为：

式（3） 中，Mip——塑性铰弯矩。若Rb最大值高于或等于F3，则将使结构抗倒塌；而若Rb最大值小于F3，则结构受F3后，梁发生变形，塑性铰开始转动，梁端转角 （表示为θi） 持续变大，在塑性铰区内，由于混凝土受压，所以其压应变 （表示为εc）明显增大。在压应变增加至极限值后，开始发生压碎与脱落，导致自身与工作状态完全脱离，由梁机制赋予的Rb失效。此外，随着梁端转角不断变大，还会产生“悬链线”，其抗力 （表示为Rc） 一般用以下公式计算：

式（4） 中，Ti——拉结力。

在梁端还没有和刚出现塑性铰时，变形往往很小，而且由于梁端转角几乎保持不变，所以“悬链线”带来的影响可以忽略不计，借助梁机制就能提高抗倒塌能力[3]。而梁端开始有塑性铰之后，θi变化，产生“悬链线”的同时造成影响，但这一影响并不是不利于抗倒塌，反而对抗倒塌有一定积极作用，这是因为：

式（5） 中，Rbc为同时存在梁机制与“悬链线”时的抗倒塌力。其中，由梁机制赋予的抗力不会发生变化，但由“悬链线”产生的抗力却与θi成正比，即为θi越大，Rc越高。

若由这两种机制带来的抗力等于或高于F3，则结构不倒塌；若由这两种机制带来的抗力小于F3，则梁开始变形，θi变大，直到超出限度而使混凝土出现压碎，与工作状态脱离，塑性铰遭到破坏，导致弯矩快速丧失，最终使梁机制失效。在这种情况下，仅由“悬链线”提供抗力。由于由“悬链线”产生的抗力与θi成正比，所以随着θi的增大，结构抗力越大。当这一抗力等于或高于F3时，结构仍然不倒塌；而低于F3时，结构将随时发生倒塌。对由“悬链线”产生的抗力而言，除了和θi有关，还取决于贯通筋与节点锚固。

图1 分析模型

图2 梁机制

2 建筑结构抗倒塌设计与改善

根据以上对框架结构发生倒塌和抗倒塌作用机制的分析，结合以往建筑结构设计经验，提出建筑结构抗倒塌设计方法与相应的改善措施。

（1） 一般建筑结构体系不允许采用单跨形式的框架结构。因为这种结构体系如果框架柱最先开始失效，则无法提供拉结力，导致“悬链线”无法形成，只能由梁机制一者产生抗力，增大了倒塌概率。如前所述，若由梁机制带来的抗力小于F3，则梁开始变形，θi变大，直到超出限度而使混凝土出现压碎，与工作状态脱离，塑性铰遭到破坏，导致弯矩快速丧失，使梁机制失效，此时由于没有“悬链线”抗力，所以结构将直接倒塌。

（2） 通过对框架柱应力度的有效控制来避免框架柱先于框架梁破坏失效。当框架柱最先开始失效时，原上部荷载经框架梁向相邻柱传递，增大相邻柱实际内力。此时若相邻柱有较高应力度，则将难以承受新内力，导致失效，最终产生严重后果。从另一个角度讲，结构抗力不仅和结构冗余度有关，而且冗余度还会受到构件应力度影响。因此，在设计过程中必须控制好应力度[4]。

（3） 框架梁设计中必须做到“强剪弱弯”，塑性铰产生前梁不得受剪破坏。通过上述分析可知，当框架柱最先开始失效时，原上部荷载经框架梁向相邻柱传递，增大相邻柱实际内力，此时框架梁若在塑性铰产生前破坏，则不仅属于脆性，而且无法形成对抗倒塌有利的梁机制。

（4） 对框架梁顶部纵向钢筋进行通长配置。以上针对结构“悬链线”抗力的研究是以框架梁顶部纵向钢筋没有通长配置为背景的，若能实现通长配置，一方面将增大“悬链线”抗力，另一方面还能提高延性系数，这对增强结构整体抗倒塌能力是十分有利的。

（5） 必须强化梁低纵向钢筋和节点之间的锚固，因为这是确保“悬链线”顺利产生并发挥预期作用的关键基础。

（6） 梁的纵向钢筋必须具有良好延性。研究表明，对于梁的纵向钢筋，其极限拉应变和θi成正比，随着极限拉应变的不断增大，θi明显变大，同时由“悬链线”产生的抗力与θi成正比，所以抗力也显著增大，对倒塌的抵抗越有利，并且还能提高一定延性。

（7） 采用其它能使θi增大的工程措施，比如对梁端箍筋进行适当加密等。

需要注意的是，以上设计方法与改善措施都是在结构抗倒塌前提下提出的，但和结构抗震设计却有诸多类似点，说明抗震设计是提高结构抗倒塌能力的重要因素，相较于不考虑抗震设防的结构，考虑抗震设防的结构往往具有较强抗倒塌能力。

3 结语

（1） 对框架结构而言，梁机制是使结构产生抗倒塌能力的重要机制。同时，在可以提供一定拉结力的条件下，由梁端转角不断变大产生的“悬链线”也能赋予结构一定抗倒塌能力，继而同时起到抗倒塌作用。

（2） 在结构的抗倒塌设计过程中，可采用以下有效方法与改善措施：①避免使用单跨形式的框架结构；②对框架柱应力度进行严格控制；③框架梁必须做到“强剪弱弯”，顶部通长配置有良好延性的纵向钢筋，并强化与节点之间的锚固，此外在条件允许的情况下，可对梁端箍筋进行适当加密；④重视并做好结构的抗震设计。

[1] 张磊，许镇，叶列平.基于局部谱形状指标调整结构抗地震倒塌能力的预测结果[J].工程抗震与加固改造，2016（5）：9-15，26.

[2] 马东辉.建筑结构地震倒塌过程模拟与瓦砾堆积分布研究[J].中国安全科学学报，2016（7）：29-34.

[3] 卢啸，杨蔚彪，张万开.某超高层建筑不同抗侧力体系抗震性能对比研究[J].建筑结构学报，2016（4）：102-109.

[4] 刘斌，杨蔚彪，陆新征.剪力墙内支撑布置方案对超高层建筑结构抗震性能的影响[J].建筑结构，2016（3）：1-5.