钢筋混凝土结构的倒塌机制研究

倪浩然　周蔓　张浩　蔡波

0 引言

从1968 年Ronan Point 到Oklahoma 汽车炸弹事件和911 事件的发生，结构倒塌问题在世界范围内得到重视，并开展了大量相关研究。因此，建筑结构的防连续倒塌问题成为当前工程界关注的热点之一。连续倒塌一旦发生，一般造成严重的生命财产损失。近年来由于各种意外事件造成的建筑结构连续性倒塌事故，使得该问题日益受到公众的关注和研究者的重视。因此，對建筑结构进行倒塌机制的研究十分必要。

1 连续性倒塌因素分析

1.1延性

延性是指构件的任意截面达到极限承载力前能够充分发挥其塑性变形的能力并吸收较大的能量。构件的某个截面的延性能够提高结构的抗冲击的性能，提高构件的延性能够有效地避免发生脆性破坏的可能，减缓因竖向承重的关键构件的失效所产生的动力效应。竖向关键构件退出工作后，将引起其余构件的内力大幅增加，延性较好的结构便具备较强的抵抗变形的能力，在消耗能量的同时能够进行内力重分布，使应力进行有效转移，充分发挥钢筋和混凝土的材料强度。例如，结构的主要构件框架梁具有跨越两个柱距的能力对于防连续倒塌是至关重要的，当竖向承重构件柱破坏而退出工作后，与柱相连结的两侧梁便成为一体，此时剩余结构即使产生很大的塑性变形也不至于发生倒塌破坏。这种结构便要求在设计上将相邻的本不连续的梁可靠且有效地连结成一个整体，对于钢筋混凝土框架结构在布置梁和柱的连接钢筋时应该使构件具有足够的延性，从而满足因某个构件破坏后结构进行内力重分布时的延性要求。结构在意外荷载作用下发生局部破坏时，往往在构件中产生与设计荷载方向相反的荷载作用，因此，为防止连续倒塌，构件应该具备抵抗反方向荷载的能力。如图2-3。

1.2鲁棒性[1]

结构的鲁棒性是以防止结构连续性倒塌为目标的整体结构安全性。通常所谓的结构安全性是结构构件所受荷载不超过其最大承载力，即“承载力极限状态。鲁棒性这一概念最初由英国建筑法规引入建筑结构中，后来吸引了部分专家学者对结构鲁棒性这一问题的研究。在欧洲的建筑设计的规范条文中，将鲁棒性定义为结构失效后果不应该与其原因不成比例的一种能力。

1.3结构的冗余度[2]

结构抗倒塌能力的大小与其延性、冗余度以及强度条件等多种综合因素有关，若将结构视为一线性系统时进行分析比较，冗余度便是其主导因素，因此，对冗余度进行相关研究显得十分必要。冗余特性的含义较为广泛，其中第二项评价尺度的定义与鲁棒性的概念颇为相似，一些结构专家学者认为，荣誉特性就是应该从构件的整体承载能力和整体性能的角度去评价，单一结构的超静定次数不能够充分说明结构体系整体性能的好坏，因此在结构设计中应将上述的3种评价尺度结合起来综合考虑。

2 偶然荷载类型及特点

结构发生倒塌的诱因即偶然荷载的作用。偶然荷载是指在结构设计周期内偶然出现的数值较大、持续时间较短的荷载。基于偶然荷载的成因和特点，主要分为以下四种类型：爆炸荷载、物体撞击、施工失误或设计错误、地基基础失效。《建筑结构荷载规范》规定：将作用在结构上的荷载分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载三种类型。我国对偶然事件的概率统计数据较少，国外对其发生的频率有较为详细的统计。

3 混凝土结构倒塌机制

对结构进行非线性分析是考虑材料的非线性以及几何非线性的一种分析方法，利用的是能量守恒的原理。结构倒塌的原理可以用弹簧的模型来模拟，简图如图2-4所示。根据能量守恒的原理，当弹簧所能承受的最大力力在C点大于系统的自身重力时，系统不会发生破坏，反之，系统则会破坏。当弹簧的屈服强度大于系统重力的2倍时，系统可回弹而不至于发生倒塌破坏。如果系统的重力是处于C、D两点之间时，结构便会发生较为轻微的震动，但不至发生倒塌。综上各种情况，当冲击力作用在结构构件可以吸收的荷载范围时，结构发生弹性或弹塑性变形，均不会发生倒塌，反之，结构有发生倒塌的可能。对于结构比较复杂的建筑，档竖向承重柱失效后的反应非常复杂，用图2-4的静力分析模型难以模拟其真实的反应，因此，该弹簧模型仅适用于较规则的结构的静力分析（包括线性、非线性）。

进行框架结构抗倒塌能力分析，必须了解框架结构在意外荷载作用时的倒塌机制。 首先定义截面弯曲破坏状况。如图2-5所示的截面本构曲线，当截面的曲率到达B点时，此时构件受拉一侧的钢筋到达屈服点。若继续向构件施加荷载，截面随即进入塑性阶段（BC段），构件截面的曲率不断增加但弯矩增加较少。

截面曲率到达C点时，截面受压区混凝土超过其极限承载力而被压碎，随后截面的弯曲承载力则进入下降段（CD段）。随着截面的各部分的连续失效，构件截面的抗弯能力也逐渐下降，待达到D点以后，该构件已完全失去抗弯能力。若按照精准的计算，构件截面的破坏应定义为C点时，也就是当截面有一条混凝土发带被压碎破坏，那么就认为该截面破坏，这种方法忽略了构件截面受弯性能的下降阶段（CD段）。

4 评判标准

现有的一些国内外专家、学者提出了多种破坏准则，按其类型可大致分为：强度准则、变形准则、机构准则、能量准则、稳定准则等。按照其层次分为：构件层次、结构层次、材料准则等，本文仅对应用较多的强度准则、变形准则、机构准则进行阐述。

在众多的破坏准则中，通常对结构进行倒塌分析使用最多的两种准则为强度准则及变形准则。强度准则的内容为：结构或构件中某个截面承受的最大应力大于其允许值时，便可认为发生破坏。这一准则只适用于没有征兆的脆性破坏。而变形准则认为当结构或构件的变形大于其允许值，可认为发生破坏，因此，变形准则能够较好地适用于延性破坏的情况。

机构准则及稳定准则主要应用在结构层次和构件层次。当结构或构件成为瞬变体系时，则称之为机构准则。

5 总结

建筑结构发生连续性倒塌的过程一般为：爆炸或其他偶然荷载作用于结构，导致结构局部竖向承重构件破坏失效而退出工作，而竖向承重构件破坏前所支撑的水平构件不能够有效地将荷载传递到相邻的竖向承重构件上去，导致水平构件因荷载过大也随之破坏失效，从而产生连锁反应，致使其他竖向承重构件接连发生破坏，直到最终有构件能够有效地将荷载传递到其他构件为止。

参考文献

[1] 陈俊岭，马大乐，何敏娟.偶然事件下框架结构抗连续倒塌分析.四川建筑科学研究.2007，33（6）.8-10.

[2] 吴志林.钢筋混凝土建筑抗连续倒塌对策的研究；（硕士学位论文）.河北；河北理工大学，2006.