混凝土框架结构的抗连续性倒塌设计方法研究

相晶晶

（苏州市城市建筑设计院有限责任公司，215000）

混凝土框架结构的抗连续性倒塌设计方法研究

相晶晶

（苏州市城市建筑设计院有限责任公司，215000）

当前许多结构都是在正常荷载基础上进行设计的，而一旦发生突发事件使得荷载增加，就会导致结构的抗连续倒塌能力不足，致使出现连续倒塌事故，给人们的生命安全和财产安全带来了严重的威胁，基于以上，本文简要分析了混凝土框架结构连续性倒塌的机理，并研究了其抗连续性倒塌的设计方法，旨在提升混凝土框架结构的稳定性。

混凝土框架结构 抗连续性倒塌 设计方法

前言

结构连续性倒塌实例很多，例如911事件中，美国世贸大楼的连续性倒塌，伦敦公寓连续性倒塌等等，这些连续性倒塌实例无一例外都对人们的生命和财产造成了巨大危害，只有加强结构的整体性和连续性才能够提升其抗连续倒塌能力，本文以混凝土框架结构为例，对连续性倒塌机理和抗连续性倒塌设计方法进行了研究。

一、混凝土框架结构连续性倒塌的机理

在突发的偶然荷载下，混凝土框架结构局部构件的破坏而引起的一系列连锁反应从而导致破坏蔓延，倒塌连续扩散，最终造成整个混凝土框架结构主体的承载能力丧失的现象就成为连续性倒塌。

连续性倒塌的形式主要有两种，一种是体现在垂直方向的连续性倒塌，一种是体现在水平方向的连续性倒塌，相对应的引起原因是垂直方向上局部构件因偶然荷载引起的破坏和水平方向上局部构件因偶然荷载引起的破坏。

混凝土框架结构的连续性倒塌是一个不可逆的过程，局部构件失去承载能力后，即使荷载减小也不会使其恢复承载力。弯曲遭到破坏的界面不会恢复破坏前的弯曲承载力，机械铰在此之后形成，其代表着一种不可逆过程，当整个混凝土框架结构出现机械铰时，就会出现这种倾覆性的、不可逆的倒塌[1]。

二、混凝土框架结构抗连续性倒塌设计方法研究

（一）概念设计方法

（1）增加混凝土框架结构的冗余度

要想避免结构发生连续性倒塌，其基础是具有足够的备用荷载传递路径，这就要求增加整个混凝土框架结构的冗余度，通过相关方案和布置构建多个荷载传递路径，有效避免一些能够引发倒塌的薄弱部位。通常来说，拆除构件是判断其是否存在荷载传递路径的主要方式，通过检查拆除构件后剩余结构来确定备用荷载传递路径是否存在，之后根据经验判断路径是否具有相应的荷载承受能力。

（2）结构缝和加强构件的设置

在结构发生倒塌之后，很容易引发连锁反应，造成连续性倒塌，因此应当积极控制倒塌后的破坏范围，在结构上实现防连续性倒塌。其主要方式有设置结构缝和设置整体型加强构件来控制倒塌的影响范围[2]。这样即使局部发生倒塌，也可以将破坏范围控制在一定程度内，避免倒塌的连续性，整体型加强构件是混凝土框架结构中的关键构件，因此要保证其的安全储备。

（3）构件之间的连接构造

增强混凝土框架结构的整体性和冗余度是提升防连续性倒塌的关键，构件之间的连接构造能够将构件互相连接成一个整体，由此可见构件之间的连接构造对于混凝土框架结构防连续性倒塌能力的提升至关重要。

例如，当混凝土框架结构的一根柱子失去承载力后，其支撑的梁要能够跨越两个柱子而不塌落，这就是混凝土框架结构整体性的具体体现，梁中的钢筋有着抗拉强度，能够将负荷传递到相邻柱中。对于混凝土框架结构来说，在其结构周边构建中通常进行纵向、横向、以及竖向受力钢筋的布置，以此来提升抗拉强度，实现了内部结构与外部结构的连接，确保了整个建筑结构的整体性。

（二）超静定结构设计方法

混凝土框架结构在遇到特殊作用会产生过大的荷载，这种偶然性的过大负载会造成其局部构件的破坏，使其局部构件失去荷载传递路径，超静定结构设计能够为混凝土框架结构构建提供二级荷载传递路径，这样在其遭到破坏时，虽然丧失了主要支撑构建的作用，但由于二级荷载路径的存在，整体结构能够在一定时间内保持稳定。此外，超静定体系的应用能够让混凝土框架结构在多个部位形成塑性铰，塑性铰的形成会增加构件形成荷载传递路径的几率，荷载传递路径形成就会提升被破坏构件的支撑能力[3]，从而进一步提升了混凝土框架结构的抗连续性倒塌能力。

（三）材料的选择

混凝土框架结构遭到突发荷载影响而使构建破坏的原因主要是构件本身的极限承受能力小于突发荷载的作用力，在这种情况下，构件处于塑性状态，从而出现破坏，致使其丧失承载能力。以竖向构件为例，其极限承载能力主要是由其塑性变形能力决定的，而其塑性变形能力与所使用的材料密不可分，因此在具体的设计过程中要选择延性突出的材料用于各个构件以及各个单元和节点间的连接，以此来提升构件的塑性变形能力，防止构件发生脆性破坏。

（四）拉结强度设计方法

为了保证混凝土框架结构的整体性以及备用荷载传递路径的承载能力，要对整个结构拉结强度进行科学的计算，保证拉结强度满足相应的需求。在竖向构件遭到破会失去承载能力的时候，跨越竖向构件的横向梁应当能够有着足够的承载能力，以此来避免连续倒塌的发生。

通常来说，跨越竖向构件的横向梁极限承载力的确定机制有两种：①梁机制：指的是在竖向构件变形较小的阶段，跨越竖向构件框架横向梁主要通过梁结构中形成的塑性铰形成的抗弯承载力来提供极限承载力[4]；②悬链线机制：在竖向梁构件变形较大的阶段，此时跨越竖向构件横向梁中塑性铰的抗弯承载力会遭到破坏而消失，而梁内纵向钢筋轴会形成极限拉力的竖向分力，这个竖向分力将作为横向梁的极限承载力，需要注意的是，纵向钢筋在横向梁的两端支座中要具备足够的锚固，以此来保证纵向钢筋发挥的作用是连续不断的。以上两种机制一般不会同时出现，因此在确定跨越纵向构件横向梁的极限承载力时可以选择两种机制中的承载力值较大的来衡量梁的极限承载力。

拉结强度的设计方法无需对整个混凝土框架结构进行分析，因此操作起来相对简便，但在具体的计算中，其计算模型简化，考虑的因素较少，因此相关参数的计算需要依靠计算着的经验，这就制约了其在复杂结构中的使用，在复杂混凝土框架结构中使用的可靠性和经济性可能存在问题。

设计方法中的基本假定：①假定竖向柱遭到破坏，跨越柱的横向梁不仅要维持其极限承载力，还要具备直接传递到梁上的本层负荷承载力，保证一定的跨越能力；②横向梁跨越能力的实现主要是通过横向梁端以及跨中形成的塑性铰来完成的；③对于变形较小阶段的梁机制来说，为了计算的简便性，通常不考虑跨中的正弯矩对极限承载力的贡献，只是为了偏于安全保守的考虑横向梁塑性铰机制和负弯矩的贡献[5]；④假定横向梁的纵向钢筋贯通，在变形大阶段，则要考虑悬链线机制的作用；⑤横向梁要有足够的抗剪力，其梁端形成的塑性铰要能够实现足够的变形。

结论：综上所述，本文简要分析了混凝土框架结构连续性倒塌的机理，并从概念设计方法、超静定结构设计方法、拉结强度设计方法和材料选择方法四个方面研究了混凝土框架结构抗连续性倒塌设计方法，旨在供设计人员在混凝土框架结构设计中借鉴，确保整个结构的安全性。

[1]陈超.钢筋混凝土框架结构抗连续性倒塌分析[D].华南理工大学,2010.

[2]邢甫庆.混凝土结构抗连续性倒塌机理及其设计方法研究[D].合肥工业大学,2010.

[3]陆新征,李易,叶列平,马一飞,梁益.钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌设计方法的研究[J].工程力学,2008,S2:150-157.

[4]周爱秋.钢筋混凝土框架结构抗连续性倒塌数值分析[D].北京林业大学,2012.

[5]童少轩.钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌分析方法研究[D].西安建筑科技大学,2012.

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1007-6344（2015）12-0036-01