结构抗连续倒塌设计策略

韩超伟

（广东省建筑设计研究院）

结构抗连续倒塌设计策略

韩超伟

（广东省建筑设计研究院）

结构连续性倒塌造成的后果非常严重，除了会造成严重的经济财产损失之外，还会对生命安全产生威胁，影响社会的长远发展。控制结构连续性倒塌的基本途径是对倒塌结构进行分析，对抗倒塌的结构进行设计，本文对抗连续性倒塌的设计方法进行研究，从概念设计、拉结强度设计以及拆除构件设计等方面进行探究，针对其中出现的问题和不足，提出相关的解决意见，旨在为我国的连续性倒塌设计提供理论帮助。

结构连续性倒塌；设计策略；解决意见

自从20世纪60年代在英国发生的公寓爆炸导致结构连续性倒塌案开始，国内外展开了对抗连续性倒塌结构的设计研究。结构连续性倒塌造成的生命财产损失不计其数，美国世贸中心倒塌造成重大财产损失、中国湖南的衡阳大厦发生爆炸倒塌造成多名人员死亡，这些事实告诉我们解决连续性倒塌问题，加强抗连续性倒塌的设计具有重要意义。结构连续性倒塌的直接原因是受到了非正常的载荷影响，导致局部的破坏蔓延到了整个结构当中，迫使结构的承重构件发生破坏，因此，在进行连续性倒塌的设计时，需要从处理构件入手。

1　结构抗连续倒塌设计方法

对于工程建设的一般结构，在设计时，需要重点考虑结构的抗震、抗拉性能，对于结构的整体性能要求较高，而抗连续性倒塌设计主要针对意外作用导致的结构中局部构件发生损坏时，剩余结构的抗倒塌能力的强弱。两种情况的设计目标不一样，设计模型和方法也有所区别。针对结构抗连续倒塌的具体方法，做出如下简要介绍：

1.1概念设计方法

设计方法主要是从整体结构的冗余度、结构的整体构造和延性等方面入手进行设计和研究，根本的目的是增强结构的抗连续倒塌性能。无论在国外还是国内，对抗倒塌概念设计研究的重视程度都很高。若结构在最初的设计时就已经将地震的影响考虑在内，则结构整体的抗倒塌性能将会大大提高。若没有考虑地震的影响，则抗连续倒塌性能较弱，对此，必须提前对结构出现连续性倒塌的可能性进行分析，并预测倒塌出现的具体情况，有针对性地采取一些概念设计措施，能够在保证工程最大效益的基础上，大大提高结构的整体性能。

概念设计的具体内容主要包含：淤对构件与构件之间的连接进行加强，增强整体的稳定性；于将反向载荷考虑在内；盂对墙柱能够承受的最大载荷进行分析；榆对结构的方案和具体的位置分布进行设计；虞对结构的冗余度进行分析，增强结构的载荷传递功能；愚为了使悬链线发挥出自身的重要作用，需要对结构使用连续性配筋[1]。

1.2拉结强度设计方法

拉结强度设计的主要内容是验算连接强度，为了结构在外力作用下达到抗震要求而进行设计，根本目的是促使结构的载荷传递路径能够正常运行，增强结构的整体性能。在实际的设计过程中，我们通常使用悬链线构件来代替超静定结构，以此来确定构件之间的最小强度需求值。但是此种设计方式的设计数据主要来源于经验的判断，在经济和可靠性等方面具有很大劣势。

1.3拆除构件设计方法

此方法主要是通过拆除部分构件来实现的，对初始的破坏过程进行模拟分析，采用合适的方法对剩余结构强度进行分析，统计剩余机构发生连续性倒塌的概率，一般情况下，有限元法是最常用的强度分析方法。在试验模拟过程中，剩余的结构若发生了连续性倒塌，则需要对剩余的部件进行增强处理，来实现构件冗余的目的，也可以理解为提供后备构件来避免连续倒塌的发生。若无法对现有的构件进行增强处理，则需要适当的增强剩余构件的强度，增强这些构件抵抗连续倒塌的性能。在英国的拆除构件法的相关规范中，对于剩余构件能够承受的载荷的值维持在34kN/m3左右[2]。

2　现有结构抗连续倒塌设计的问题及改进

2.1材料以及载荷的取值

在没有收到破坏的一般情况下，结构连续倒塌的概率并不大，因此，在进行分析和设计时，可以忽略掉其他的载荷，只考虑永久与准永久载荷。在使用合适的计算的方法对结构的内力进行计算时，需要将结构倒塌时产生的动力效应考虑在内，若被拆除的构件与倒塌的结构相连，或者倒塌结构对相关构件的影响较大时，需要将何在动力的最大系数确定为2，其他的部位可以取值1[3]。

对于荷载的计算，遵循以下公式：

2.2拆除构件设计法存在的问题

就目前而言，拆除构件法是抗连续倒塌设计方法中效果最好的一种方法。要想提高设计的准确性和可靠性，在拆除构件设计的过程当中，必须对以下几个问题进行详细考虑：

淤结构倒塌时的复杂程度。对结构的倒塌和破坏程度进行分析时，对计算的准确性要求较高，需要计算人员具有较高的专业素质，若倒塌结构的复杂程度较低，只需要进行简单的线性弹性动力分析和近似计算的方法进行计算即可。于对初始构件破坏程度的了解程度不够。实际结构是由多个构件组合而成的，在进行分析和设计时，部分构件只能通过人为估计来确定，结果主要依靠预测人员的主观意识，准确性有待提高。国外对于构件拆除的顺序为从上到下，首先对长短边的中柱进行拆除，之后再进行中间柱的拆除，在没有特别说明和要求的情况下，我国也按照这个顺序进行拆除[4]。盂建筑物受到袭击、发生局部破坏之前，在恒载和活载作用下，存在初始内力和初始变形，而拆除构件法忽略了构件失效时结构的初始内力状态，带来结构内力重分布计算失真。因此，相关的计算人员需要对失效后的结构的初始内力状态进行考虑，将其纳入到计算范围之内。

针对以上问题，对非线性动力计算方法进行分析，在传统的分析模型的基础上建立新型的结构单元模型，对钢筋混凝土结构的倒塌过程进行模拟和再现，在一定的参数基础上，进行实验，发现该模型的实验结果较合理。针对轴力和位移之间的关系进行计算，得到以下记结果，如图1所示。为了考虑构件破坏前结构的初始内力，可以将破坏构件消失时的初始内力（杆端力）定义为“倒塌荷载”该初始内力作用于“剩余结构”，对“倒塌内力”、“倒塌变形”进行求解，并和“剩余结构”初始内力、初始变形叠加起来，即可得到局部构件破坏后“剩余结构”的真实内力、真实变形。

图1　中柱卸载的位移图

2.3抗拉强度设计法的不足与改进

抗拉强度法的实现需要通过对最小配筋率的控制来实现，为了增强结构的整体稳定性，增强在载荷传递方面的能力，拉结构件与连接。为了分析和研究我国与外国的抗拉设计的不同之处，对3层和8层的结构进行分析，若不进行任何改进和处理就将外国的设计方法运用在我国，会产生严重的后果，外国的抗拉强度计算图如图2所示，实践证明，外国的抗拉强度设计法还存在以下不足之处：淤对于梁端塑性弯矩和较为集中的载荷的考虑不充分；于对空间传力导致的载荷的考虑不够充分；盂对高度超静定次数考虑不全面；榆没有充分考虑强度的折减和构件自身的塑性。

图2　拉结强度计算简图

针对国外抗拉强度设计的不足之处，本文提出如下建议：去除构件的承载力单元，按照等效的原则促使集中载荷均匀分布；除了对外部进行拉结，还需要对内部和周边进行拉结处理，并保证水平构件拉结力的大小与内部拉结力的大小保持一致；遇到悬挑等部位，拉结力的值应该偏大；柱脚的拉结需要从多个方向同时进行水平拉结。

3　结语

总而言之，结构连续性倒塌会造成巨大的财产损失，威胁生命安全，我国对于连续性倒塌的研究起步较晚，还停留在初步阶段，虽然国外对于这部分的研究已经较为成熟，但是大部分理论成果都不符合我国的实际情况，必须在一定程度上进行改进，根据结构的复杂性来对倒塌进行设计和分析。

[1]徐瑞御，杨亚静.浅论结构抗连续倒塌设计[J].城市建设理论研究（电子版），2013（17）.

[2]吕婷.高层建筑混凝土框架结构双柱失效的抗连续倒塌研究[D].山东建筑大学，2015.

[3]赵军，王立波.浅谈RC结构抗连续倒塌设计方法[J].四川水泥，2015 （6）：73.

[4]董华行.框架结构抗连续倒塌设计方法中的参数研究[D].大连理工大学，2014.

TU375

A

1673-0038（2015）49-0099-02

2015-11-15

韩超伟（1988-），男，助理工程师，硕士，主要从事结构设计工作。