运用概念设计探讨钢筋混凝土结构抗连续倒塌

于文慧，杨 虹，谭小平

(西华大学建筑与土木工程学院，四川成都610039)

重大建筑连续倒塌时有发生，如1968年5月英国纽罕姆23层Ronan Point公寓楼因煤气爆炸而倒塌；1995年4月俄克拉何马城的9层Alfred P.Murrah联邦大厦遭受恶毒攻击而部分倒塌；2001年9月11日纽约世贸中心双塔遭受恐怖攻击而整体倒塌，这些事故引起人们对结构体系遭遇偶然作用而引起整体性和渐次倒塌的关注。美国ACI 318-02通过对结构整体性要求提出一种处理渐次倒塌的间接方法。我国于2011年10月实施的高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2010)[1]第3.12.节首次提出抗连续倒塌设计的基本要求。所谓结构的连续倒塌是由于偶然作用如爆炸、撞击等人为事件，结构首先遭受的是局部破坏，在一个承重竖向构件失去后的重力作用下，构件之间会引起所谓的连锁反应，破坏范围渐次蔓延扩大，最终导致不相称的过大倒塌。因此借鉴美国ASCE 7-02对渐次倒塌的定义[4]可知“建筑物连续倒塌是由最初的局部破坏在构件之间所引起的渐进式蔓延扩展面最终导致整个结构或不相称的大部分倒塌”。

1 概念设计原理

对于可能遭遇爆炸、撞击和地震等不确定意外事件的钢筋混凝土结构，宜进行抗连续倒塌设计。当无法确定前述意外事件在结构中产生的荷载效应时，采用具有较多赘余度和延性功能的结构体系是能有效地减低渐次倒塌程度；加强抗震细部设计和多道防线的结构体系能减小灾难性事件所带来的破坏；建筑物分隔成小开间增加结构的超静定性次数等措施均能提供结构整体性和阻抗连续倒塌能力，其概念设计具体表现为下列要点。

(1)建筑结构应具有阻止局部破坏在结构中扩散，即当某一竖向构件发生损坏，原传力途径遭到破坏时，其上部及相邻构件应能够形成新的传力路线，避免出现连续破坏，保证结构整体稳定。因此应采用赘余度高和允许出现多个塑性区的抗侧向的结构体系，如框架-剪力墙结构从赘余度、抗侧力方面均优于框架结构。或者创造转变传力途径的条件，如用双向相交梁代替单向大梁，用转换刚架代替大梁，框架梁中采用双向配筋等。

(2)结构平面设计应力求简单、规则，不宜采用如“U形、L形或其它具有“凹”角的不规则平面布置，避免存在可能引发连续性倒塌的薄弱部位，水平和竖向承重构件应沿结构整体连续、贯通，并加强端部的锚固措施。

(3)框架主梁沿结构平面宜连续、贯通，并具有跨越两跨而不垮塌的能力：即当某一承重柱破坏后，其上两侧的梁能形成跨越该柱的水平承重构件，继续承受重力荷载，避免出现竖向连续倒塌，见图1。中间一根柱子失去后，此位置处的框架梁内力发生改变，由上部受拉变成下部受拉。所以应采取正确的连接、锚固措施、配置密集箍筋和足够的贯通钢筋，保证柱两侧梁的连续性。

图1 失去中间柱的框架梁

(4)合理设计竖向构件的平面布置，纵横两方向的结构跨数均不应小于两跨；适当减小墙体和柱子的间距，以增加结构竖向承重构件的数量并减小竖向承重构件遭受局部破坏的影响范围。

(5)不宜采用框支结构及各类转换结构、装配式大板结构、无整浇层的装配式楼板、装配式楼梯等不利结构。框支柱、转换梁及单跨结构缺少转换传力途径，一旦失效易于引发连续倒塌；装配式结构及各类装配式构件在突发事件下，极易造成连接部位失效而引发连续倒塌。

(6)水平构件应具备抵抗由于偶然作用在结构内引起反向内力的能力，见图2。如由于爆炸作用，一股超强冲击波从炸源向四周方向传播，因此对楼板产生向上作用的压力，使楼板承受一种反向弯矩，这与承受常规重力荷载设计的楼板的内力相反。为此提供配置连续贯通钢筋来承受由于偶然作用引起向上冲击压力产生的反向弯矩达到制约楼板倒塌的目的。

图2 承受爆炸冲击作用的框架梁

(7)充分利用楼板内钢筋的悬链作用。具有侧向约束和连续贯通配筋的钢筋混凝土楼板能达到一种大挠曲变形条件下的纯受拉状态(称之为抗拉薄膜受力状态)，即楼板表现为一种悬链形态。现推导楼板的悬链大小Ft，即楼盖失去一个中间承重构件后而发挥的悬链作用所携带的水平张力，见图3。

图3 悬链计算简图

由静力平衡

对1/2隔离体C点取矩，∑MC=0

其中s为楼板的最大跨中(即失出柱子的部位)挠度。

这种悬链状态不但增强了楼板的延性功能，同时还能加大在遭遇灾难性事件情况下的极限承载力。为有效发挥楼板内钢筋的悬链作用，现浇楼板宜设计成双向板，如果是单向板应增设楼板非计算跨度方向上的分布钢筋用量，当一个方向失效，另一方向可起承重作用；同时保证楼板底部配置具备足够锚固长度的贯通钢筋，保证楼板在跨度或主受力方向改变的情况下继续承载。

(8)适当增加结构内部承重构件的承载能力；降低竖向构件的轴压比、剪压比等指标以改善结构的延性耗散能力；加强节点连接等措施，以抵抗突发事件导致内力重分布引发的连续倒塌。

2 抗连续倒塌构造措施

现行高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2010)首次提出抗连续倒塌的概念设计，其要点为：应采用必要的结构连续措施，增强结构的整体性。主体结构宜受用多跨规则的超静定结构。结构构件应具有适宜的延性，避免剪切破坏，压溃破坏、锚固破坏、节点先于构件破坏。结构构件应具有一定的反向承载能力。周边及边跨框架的柱距不宜过大。转换结构应具有整体多重传递重力荷载途径，钢筋混凝土结构梁柱宜刚接，梁板顶、底钢筋在支座处宜按受拉要求连续贯通。独立基础之间宜采用拉梁连接。在结构构造措施上具体体现如下：

2.1 框架梁抗连续倒塌措施

(1)框架结构平面应沿周边布置闭合的框架梁，除周边以外的框架梁宜在两个主轴方向上分别贯通。

(2)框架梁应布置以下贯通钢筋：顶面不少于梁顶纵向配筋中较大截面面积的0.25，且不小于2φ14；底部不少于梁底纵向配筋中较大截面面积的0.5，且不小于2φ14；其连接应采用机械连接或焊接。

2.2 框架柱抗连续倒塌措施

(1)柱轴压比≤0.6

(2)应至少有4根纵筋沿全高(从基础顶面到屋顶)贯通，位于四角且直径不小于16 mm。贯通钢筋连接应采用机械连接或焊接。

2.3 剪力墙抗连续倒塌措施

(1)剪力墙轴压比不大于0.5

(2)连梁，当跨高比不大于2且连梁截面宽度不小于200 mm时，除普通箍筋外，宜另设斜向交叉构造钢筋。

(3)剪力墙的两端应设置端柱(或暗柱、翼柱)，在每层楼板位置应设置梁(或暗梁)，且沿结构平面两个主轴方向宜贯通设置。

(4)端柱(或暗柱、翼柱)设置如图4，端柱(或暗柱、翼柱)的范围和计算纵向钢筋用量的截面面积取图中阴影部分，最小配筋率满足：纵向钢筋的最小用量，取max(0.008Ac,6φ14)且柱角部至少有4根纵筋从基础顶面贯穿到层顶，直径≥14 mm，通长钢筋连接应采用机械连接或焊接。

图4 剪力墙的端柱、暗柱、翼柱

箍筋直径≥8 mm，间距≤150 mm，箍筋无支长度≤300 mm，拉筋的水平间距不应大于纵向钢筋间距的2倍。

(5)当剪力墙端部为端柱时，端柱中纵向钢筋及箍筋宜按框架柱的构造要求配置。

3 结束语

以多赘余度、整体性和延性耗能为目标的概念设计理念是防止结构的连续倒塌行之有效地措施，也深刻体现在现行高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2010)中，对关键构件(如框架梁、框架柱和剪力墙)的抗连续倒塌的技术措施也比现行抗震规范的技术措施严格的多。

[1] JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]

[2] 梁益，陆新征.国外RC框架抗连续倒塌设计方法的检验与分析[J].建筑结构，2010(2)

[3] 叶列平.混凝土框架结构的抗连续倒塌设计方法[J].建筑结构，2010(2)

[4] (美)弗兰西斯．K．哈梅，史蒂文．M．巴德雷基.防止多高层混凝土建筑渐次倒塌的设计与分析[M].高立人，译.北京：中国建筑工业出版社，2010