混凝土框架结构抗连续倒塌能力分析及加固措施

李志萍 王欢欢 王永跃

摘要：本文对按照我国现行混凝土结构设计规范（GB50010-2010）设计的四层混凝土框架结构进行了连续倒塌分析。主要参照DOD2009提供的设计流程，基于SAP2000通用软件，采用拆除构件法，分析结构在单个柱失效情况下的抗倒塌能力。对其抗倒塌能力薄弱环节进行加固，并分析了我国现行规范要满足框架结构抗连续倒塌设计需要的加固环节和范围，为今后框架结构进行抗连续倒塌设计提供理论和实用的方法。

关键词：混凝土框架；连续性倒塌；拆除构件法；加固措施；数值模拟

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

1． 引言

结构的连续倒塌是由偶然荷载造成结构的局部破坏，进而引发连锁反应导致破坏向结构的其它部分扩散，最终使结构主体丧失承载能力，造成大范围坍塌。近年来，由于火灾、地质灾害、恐怖袭击、燃气爆炸等引发的连续倒塌正对人们的生命、财产安全造成巨大的威胁，并产生严重的社会影响。因而抗连续倒塌问题已日益受到公众的关注和研究者的重视，并成为近年来结构领域的热点问题。

国际上，对结构的连续倒塌问题已进行了四十多年的研究，从1968年英国Ronan Point公寓楼倒塌事件开始，此后的十余年中，出现了很多连续倒塌领域的权威论文。1995年美国的俄克拉荷马市爆炸事件之后，很多工作者针对该事件中建筑物的破坏撰写了一些关于倒塌破坏和连续性的调查研究论文。其中有很多文章指出了未来设计规范中需要考虑的设计推荐标准。自2001年美国9•11事件后，土木工程界对建筑结构连续倒塌的关注程度居于最高水平。[1]

目前，一些国外的规范中均有改善结构抗连续倒塌能力的相关规定。英国是最早对建筑结构进行抗连续倒塌设计的国家之一。为了防止结构发生连续倒塌，英国设计规范

BS8110[2]提出了三个准则:首先控制事件的发生，也就是消除或减少偶然事件的发生;其次保证结构具备一定的连续性和冗余度;此外对关键构件要明确考虑偶然作用的影响。欧洲的Eurocode1[3]规定，结构必须具有足够的强度以抵御可预测或不可预测的意外荷载，规范中分两个方面进行抗连续倒塌设计，一方面基于具体的意外事件，另一方面独立于意外事件，该设计的目的在于控制意外事件造成的局部破坏。该规范采用了拉结强度法、拆除构件法和关键构件法三种方法。美国混凝土协会编制的ACI318-02中要求，构件的配筋和构件的连接构造应有效的保证结构构件之间的拉结连接，改善结构的整体性。美国公共事务管理局编制的《联邦政府办公楼以及大型现代建筑连续倒塌分析和设计指南》（GSA2003）[4]和美国国防部编制的《建筑抗连续倒塌设计》修订版（DOD2009）[5]详细的阐述了结构抗连续倒塌的设计方法及流程。而我国现行的规范中尚未规定详细的抗连续倒塌设计方法。

建筑结构的抗连续倒塌研究的常用方法有数值模拟和试验研究。湖南大学易伟建等对缩尺的四层钢筋混凝土框架结构进行了连续倒塌破坏试验，用于验证数值模拟分析结果的可靠性[6]，因此数值模拟仍是研究结构抗连续倒塌的重要方法。美国波士顿东北大学的Sasani等人运用SAP2000预测分析了一栋10层钢筋混凝土建筑在首层一根外柱爆炸后（突然拆除）和一栋6层钢筋混凝土填充墙结构同时拆除两根毗邻外柱（一根为角柱）后结构的响应。与试验数据的比较表明软件在预测拆除柱上方节点的最终位移上非常精确[7]。现有国外规范中提高结构的抗连续倒塌的设计方法主要可以归纳为四种：概念设计法、拉结强度法、拆除构件法和局部加强法。

本文参照DOD2009提供的设计流程，采用拆除构件法对一栋4层钢筋混凝土结构进行了抗连续倒塌分析。

2． 美国关于建筑抗连续倒塌设计有关要求

在抗连续倒塌总向导中，GSA2003 要求钢筋混凝土结构具有较好的多余约束性能、连接性能、延性和较强的抗反向荷载和抗剪切破坏能力。基于设计效率和实用性，GSA推荐设计过程中采用静力线弹性计算方法。在对钢筋混凝土结构的抗连续倒塌设计中， DOD2009采用多重荷载路径设计方法，它要求“拿掉”一个竖向承力构件后的模型具有足够的跨越能力，不允许任何构件发生完全失效破坏。

首先按照DOD2009规范施加荷载，荷载组合为

1.2DL+0.5LL+0.2WL （1）

其中DL为恒荷载；LL为活荷载；WL为风荷载。

线性静力分析时，在拆除承重柱上部相邻开间施加2（DL+0.5LL）的等效静力荷载，其它部位施加（DL+0.5LL）的荷载。

构件的失效准则采用通用的性能指标DCR（Demand capacity Ratio）评估构件塑性能力的大小与分布，即

DCR=QUD/QCE

其中，QUD指按照线性静力分析所得构件的作用力（弯矩、轴力、剪力或组合内力），QCE指实际构件或节点所能承受的极限承载力（弯矩、轴力、剪力或组合内力）。此时材料强度取其标准值并乘以1.25的增大系数。

根据DOD2009准则构件应满足DCR≤1.0。如果一个构件的连接或者构件两端的弯矩DCR值都超标，包括梁跨在内，产生三铰失效机制，也认为构件失效。经过DCR判断后如果有构件发生破坏，将破坏构件从原计算模型中去掉，形成新的计算模型，重新计算模型的DCR值，直到没有新的破坏为止。然后将结构的破坏范围与允许的破坏范围进行比较，确定其是否满足抗倒塌设计要求。

3． 我国现行规范的框架结构设计及连续倒塌设能力分析

3.1 模型的建立

本文建筑模型为4层钢筋混凝土框架结构。按照我国现行混凝土结构设计规范[8]的设计要求，建立该建筑物的结构PKPM模型，并计算得到配筋结果，在此基础上采用SAP2000软件建立倒塌模型。

图1 结构平面

建筑物各层层高3.9m，柱网布置如图一所示。框架结构梁、板、柱均为现浇，混凝土等级C30。纵向受力钢筋选用HRB400，箍筋选用HPB235。建筑场地类别为Ⅰ类，设防烈度为8度。楼面恒荷载由楼板自重和楼面附加均布恒荷载组成，楼面恒荷载为3.5kN/m2，活荷载为2.0kN/m2，屋面恒荷载为5.0KN/m2活荷载为0.5KN/m2。首层和标准层除楼道外均布置隔墙，荷载为6KN/m，屋面女儿墙荷载为3KN/m。基本风压Wo=0.45 KN/m2。[9]对应的各层梁极限承载力见表1。

表1 梁的极限承载力

将按照PKPM软件给出的配筋结果建立的框架模型作为原始结构，在SAP2000中建立分析模型。对该模型遵循DOD2009中的拆除构件法则，依次拆除某些竖向构件，并进行线性静力分析。对照我国现行规范，评价该结构的抗连续倒塌能力。

3.2 抗连续倒塌分析

根据设计要求，拆除构件后剩余结构具有一定的跨越能力，而且破坏范围不能超过规范要求。本文基本遵循DOD2009中关于拆除流程的规定，选取了首层和中间层角柱、边柱和中柱作为拆除构件。拆除位置如图1所示。

以首层角柱7A失效为例。拆除本模型中的首层角柱7A，进行线弹性静力分析。分析结果显示角柱7A失效后，结构内力重分布，与角柱7A直接相连的梁内力大幅度增大，其短跨方向（KL4）计算所得支座负弯矩为735.3 kN• m，极限弯矩为416.5 kN• m，弯矩DCR=1.8，故为失效。同等位置上层梁内力也大幅度增大。失效柱区域的竖向荷载通过楼盖传递到相邻的承重构件上。在计算竖向荷载2（DL+0.5LL）作用下，7A本来应该承担的竖向荷载主要传递到6A和7B上，边柱6A和7B轴力增大。