RC 框架结构基于抗连续倒塌破坏机制的对策研究

刘欢欢 麻 琳

（洛阳理工学院， 河南 洛阳 471000）

关键字：RC 框架结构；连续倒塌；倒塌破坏机制；对策

0 引言

结构的连续倒塌是指由于偶然荷载（如爆炸、冲击、火灾、地震等）的作用而导致构件初始破坏失效后，这种破坏不断扩展而导致整个结构发生倒塌，最终的破坏与初始局部破坏之间的不成比例是连续倒塌的显著特点[1]。我国规范[2][3]中逐渐体现了结构抗连续倒塌的设计思路，但多为概念设计，系统性欠缺。CECS392:2014）[4]较为系统和深入地总结了我国连续倒塌研究的成果，标志着工程结构的连续倒塌设计具备了可操作性。本文着眼于抗连续倒塌的破坏机制展开对RC 框架结构的抗连续倒塌对策分析，丰富了连续倒塌相关研究内容。

1 连续倒塌破坏模式及失效准则

竖向连续倒塌和混合连续倒塌是针对RC 框架结构的两种主要的连续倒塌模式[5]。竖向连续倒塌指发生初始损伤后，造成的破坏只在竖直方向发生，RC 框架结构中的柱由于初始破坏失效后，不平衡荷载通过与其相连的框架梁传递至相邻柱，造成梁构件破坏，由于相邻柱刚度足够大，不平衡荷载由柱传递至引起上部结构，从而引起竖直方向的坍塌；混合连续倒塌是指倒塌破坏方向除了竖直方向还包括水平方向，RC 框架柱发生破坏失效后，同层的某些相邻柱由于抗侧移刚度不足而导致同层其他的水平梁发生连续倒塌破坏，即破坏沿着水平方向发展，同时某些柱由于抗侧移刚度足够大导致竖直方向的破坏，两者混合发生，彼此影响。

结构发生破坏的程度大小决定了结构是否发生连续倒塌破坏，因此需要规定最终的倒塌破坏标准。目前强度准则、变形准则、机构准则、疲劳破坏准则等倒塌失效准则已被提出[6]，针对目前常用的拆除构件法，建筑结构抗倒塌设计规范（CECS392:2014）主要采用了强度准则和变形准则，两个失效准则属于构件层次，失效范围缩小至构件有利于可操性；强度准则的适用条件局限于线性静力分析方法，相比而言，非线性动力分析方法可能误差较小，因此针对RC 框架结构的连续倒塌判别，尽可能采用多维度多层次的判别方法。

2 RC 框架结构抗连续倒塌的受力机理

由两根梁和三根柱组成的梁柱子结构，中柱遭遇破坏后退出工作，假定柱能够提供足够的支撑约束而不破坏，体系共同抵抗不平衡荷载，直至梁构件发生连续倒塌破坏。梁作用阶段和悬索阶段是子结构必经的连续倒塌阶段[7]，对于RC 框架结构的板则经历了薄膜作用。

2.1 梁作用阶段

周育泷[8]等人认为此阶段结构抵抗倒塌的抗力主要由梁截面弯矩提供，失效柱的附近梁截面提供正弯矩，此区域产生裂缝，中性轴上移，而远离失效柱的梁端截面提供负弯矩，同时产生裂缝，中性轴下移，此过程相当于压拱作用抵抗不平衡荷载，因此需要与梁相连接的柱能够提供足够的水平约束来保证压拱作用的发挥，随着截面承受的弯矩继续增大，塑性铰形成后，压拱作用逐渐减弱，直至退出梁作用阶段。

2.2 悬索作用阶段

随着连续倒塌进程发展，结构进入大变形阶段，此时混凝土裂缝发展充分而失去作用，梁内主要依靠纵向受力筋提供轴力，以此抵抗不平衡荷载。当所有钢筋达到屈服强度，受压区混凝土达到抗压极限而破坏失效，由抗力与截面拉力之间的平衡关系和竖向位移与构件应变间的关系，得到悬索阶段开始时子结构的抗力表达式；随着塑性铰的发展，子结构仍能承受外荷载，纵向受力钢筋达到抗拉强度时，截面抗力最大，直至钢筋截面发生颈缩破坏，宣告连续倒塌进程结束，由抗力与截面拉力之间平衡关系得到最终的抗力值。

2.3 薄膜作用阶段

板和梁柱在RC 框架结构抵抗连续倒塌过程中共同抵抗不平衡荷载，针对板的连续倒塌受力机理研究局限在数值模拟和试验。实践证明[9][10]，板与梁柱共同参与抵抗RC 框架结构的连续倒塌过程，大大提高了抵抗连续倒塌的能力。在连续倒塌起初，板内截面主要承担截面弯矩，表现为受压薄膜内力，随着连续倒塌进程发展，板内的薄膜内力形式可能发生改变，可以从受压的薄膜内力转化为受拉的薄膜内力，依靠板内受拉钢筋提供。

3 基于抗连续倒塌破坏机制的对策

3.1 采用强度高的混凝土和钢筋

以上分析可知，梁构件在梁作用阶段主要由混凝土和钢筋共同承受截面弯矩，其中混凝土的强度大小决定了此阶段持续的长短，因此可采用质量轻、强度大的新型混凝土材料来弥补普通混凝土的强度不足；另外，梁构件纵筋在梁作用阶段也参与抵抗截面弯矩，但受拉性能的充分发挥主要体现在抗连续倒塌的悬索阶段，因此，钢筋的强度大小主要影响梁构件连续倒塌破坏发生的先后，适当增大钢筋的抗拉强度将延缓连续倒塌破坏的发生，对结构来说是有利的。

3.2 增加多余约束

增加多余约束能有效增加结构的超静定次数，超静定结构除了能抵抗不平衡荷载之外，同时能够保证结构的几何不变体系特性，当某构件遭遇破坏时可由剩余体系抵抗不平衡荷载。可采用以下手段增加多余约束：一是设置数目适量的受力构件[11]，以提供足够的备用传力路径，当某些受力构件遭破坏失效后，通过剩余多个构件发挥梁作用、悬索作用共同抵抗不平衡荷载；二是避免简支梁的设计，注意结点约束的处理，通过增加多余约束的数量来保证受力机制的发生。

3.3 增强柱的侧移刚度

在RC 框架结构中通过加强柱的设计能够预防混合式连续倒塌的发生，由于增强柱的侧移刚度从一定程度上使柱端产生较大弯矩，保证柱在梁之后发生破坏，即发生竖向连续倒塌的几率高于混合式连续倒塌；同时，提高侧移刚度保证了柱端大变形的能力，通过为相连的梁端提供足够的水平约束力而促进压拱作用的发生，有利于梁作用的发挥。可通过以下手段进行提高：一是选取恰当的截面形式；二是宜适当增加底层柱的纵向配筋的最小配筋率，并符合相关规范规定；三是强化梁柱节点，保证梁柱之间的不平衡荷载有效传递。

3.4 增强梁纵筋的锚固

在悬索阶段，混凝土完全失效，结构主要通过梁截面内纵向钢筋的拉力提供抗力，因此保证钢筋拉力的充分发挥至关重要。可通过以下手段增强：一是确保受力纵筋通长布置在梁内，这是悬索作用发挥的基本条件；二是纵筋两端锚固到梁柱节点的混凝土中时确保足够的锚固长度，在结构设计中应考虑符合抗连续倒塌要求的的锚固长度，通过提供足够的水平约束力保证钢筋的轴向拉力逐渐增强，达到抗拉强度极限后破坏。

3.5 加强板的连续性

结构抵抗连续倒塌的过程中不可忽视板的重要作用，提高其连续性能更好发挥与梁柱的协同作用。可采取以下手段：一是要求板与梁的连接尽量采用现浇的方式，以提供足够的水平约束来保证薄膜压力的发生；二是板内配筋双层双向布置，使发生连续倒塌破坏时提供可发生的内力支持；三是板周围梁的支承采用四边支承的方式，其优于三边支承和两边支承的方式，板被四边支承时形成两个方向的约束，有助于双向薄膜内力的发挥。

4 结语

本文主要从破坏模式及失效准则和受力机理两个方面总结了RC 框架结构在连续倒塌过程中的破坏机制，在此基础上提出RC 框架结构抵抗连续倒塌的应对措施，结合材料特性、结构特性、构件特性等方面具体阐述对策，为预防和控制RC框架结构提供参考。随着抗连续倒塌破坏机制在定量化理论研究方面的深入，系统化的RC 框架结构连续倒塌对策将真正应用到工程实践中。