1、1防止钢管混凝土框架结构连续倒塌的措施研究摘要：本文是从结构抗连续倒塌设计的直接设计法的角度出发，基于对钢管混凝土组合框架抗连续倒塌性能评估，提出防止钢管混凝土框架结构连续倒塌的措施： 关键词：钢管混凝土框架；平面组合框架；连续性倒塌 中图分类号： TU37 文献标识码： A 文章编号： 1.概述 为了满足设计需要，我国关于抗连续倒塌专门的设计规程也在制定中，并且在 2010 年颁布的修订版混凝土结构设计规范(GB50011-2010)第 3.6 节中也增加了专门的的防连续倒塌设计原则的内容，但并没有提出专门的针对钢筋混凝土结构抗连续倒塌的设计方法或设计流程。此外，在建筑抗震设计规范(GB50
2、011-2010)第 3.5.2 条中提到：“应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；应避免部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震承载能力或对重力荷载的承载力” 。上述两部规范只是基于概念层次提出了防连续倒塌的基本原则，这对于实际工程设计并没有具体的指导方法。 框架结构抗连续倒塌的设计方法主要包括两大类，即间接设计法与直接设计法，间接设计法主要包括概念设计与拉结强度设计法。概念设计主要从结构的整体性、延性、冗余度、鲁棒性和结构构造措施等结构设计概念，来改善结构抗倒塌的能力，但是概念设计只能给出一些定性2的指导意见，难以具体量化，对设计工程设计的指导意义不大。拉结强度设计法是对结构进行横
3、向及竖向的拉结设计来提高结构的整体性，对构件之间的连接强度进行验算，使其拉结强度满足一定的要求，为结构提供更多的荷载传递路径，按照拉结的位置及作用可分为内部拉结、周边拉结、对墙/柱的拉结以及竖向拉结四种类型。直接设计法主要包括局部抗力法及备用荷载路径法。 在我国许多学者近年来致力于钢筋混凝土结构和钢结构抗倒塌方面的研究，也取得了一些显著的成就。钢管混凝土结构是近年来新兴的一种结构形式，在抗倒塌方面的研究还很匮乏，安钰丰(2011)1对钢管混凝土抗倒塌性能做了一些初步的模拟分析研究，但缺乏相应的理论分析，本文将在其基础上对钢管混凝土框架抗连续性倒塌性能做更进一步的分析研究。 2.连续性倒塌定义
4、结构连续倒塌，美国土木工程协会在 ASCE7-05(ASCE，2005)中定义如下：“在正常使用条件下由于突发事件结构发生局部破坏，这种破坏从结构初始破坏位置沿构件进行传递，最终导致整个建筑物倒塌或者造成与初始破坏部分不成比例的倒塌” 。造成建筑物发生连续倒塌的原因有很多，主要包括以下两种，第一种是由于地震作用下结构进入非弹性大变形，构件失稳，传力途径失效引起连续倒塌。第二种是由于撞击、爆炸、人为破坏，造成部分承重构件失效，阻断传力途径导致连续倒塌(胡庆昌，2007)无论基于何种原因，结构发生倒塌，一般都会造成很严重的生命财产损失，并产生恶劣的社会影响。对结构倒塌的研究日益受到公3众的关注和研
5、究者的重视。 连续性倒塌研究进程主要可以分为三个阶段，分别对应三次重大连续倒塌事件：1968 年 5 月 16 日，伦敦公寓 Ronan Point 18 层某一单元的住户因夜间煤气泄漏遇明火引起局部爆炸，造成该单元两侧的外墙板和局部楼板破坏，从而导致上一层的墙板在失去支承后也同时坠落，坠落的构件由上到下，依次连续破坏发生“多米诺骨牌效应” ，最终导致整栋建筑发生连续倒塌破坏。引起这次倒塌事件的爆炸荷载并不大，却造成了该楼中此单元及相连区域从上到下发生连续性破坏，因此此次破坏具有明显的“不成比例性”和“连续性” 。这次事件引起了许多工程师对结构抗连续性倒塌的关注。1995 年 4 月 19 日
6、，美国俄克拉荷马州 Alfred P.Murrah 联邦大楼遭恐怖袭击，一辆装满燃油的卡车炸弹直接导致建筑物底层的三根边柱发生严重破坏，从而引起上部结构荷载重分布，导致上部转换梁失效，最终导致楼层 50%的面积坍塌，造成了严重的人员伤亡。从整个倒塌过程来看，这次倒塌事件具有明显的连续性特征，事故中建筑物的大规模破坏是源于结构底层局部构件失效引起的在我国国内建筑发生倒塌的事故也常有发生。如 1990 年发生在辽宁盘锦的由于燃气爆炸导致主体结构倒塌的事故、2001 年石家庄特大连环爆炸事件、2003 年发生在湖南衡阳大厦特大火灾引发的倒塌事件，2009 年 6 月上海莲花南路莲花河畔小区一幢在建
7、13 层楼房倒塌，2010 年 8 月长春某三层居民楼发生部分倒塌事故，2011 年 4 月乌鲁木齐某居民楼发生了煤气爆炸，造成了居民楼的局部倒塌破坏，10 人受伤，在此同一天，北京一居民楼也是由于煤气泄漏爆燃事故引发了楼层东北角全部坍4塌。造成连续倒塌的原因有多种，但无论是基于何种原因造成的连续性倒塌破坏，都给人类带来了严重的经济损失和生命安全威胁，结构的连续性倒塌已经成为严重威胁公共安全的重要问题。 3.防止钢管混凝土框架结构连续倒塌的措施 近年来，国内外连续倒塌的事故屡屡发生，对结构抗连续倒塌的研究逐渐受到社会的广泛关注，国外也颁布了专门的抗连续倒塌的设计规范。但是我们始终无法准确预测偶
8、然事件的发生，也无法保证结构在偶然荷载作用下完全不破坏。我们研究以及设计的目的在于在偶然荷载作用下，结构具有一定的抗连续倒塌的能力，即将结构的破坏有效的控制在局部范围内，而不影响结构整体以至于发生连续性倒塌。本文前几章是从结构抗连续倒塌设计的直接设计法的角度出发，通过对钢管混凝土平面及空间框架进行抽柱分析，从而评估钢管混凝土框架结构在遭受偶然荷载作用时的抗连续倒塌能力，但这种方法是独立于偶然事件的发生因素，即不考虑偶然事件发生的原因，只是直观的一种假设，认为在某种偶然荷载作用下结构的关键构件发生破坏。本章从控制偶然事件的发生入手，并结合上述两章分析结果及抗连续倒塌设计准则 GSA2003 及
9、UFC4-023-03 中的规定，提出防止钢管混凝土框架结构连续倒塌的措施： 3.1 控制偶然事件的发生 导致偶然事件发生的因素有很多，究其原因可大致归为两类，一类是自然因素作用而使结构发生破坏，比如地震、风灾等；另一类是由于人为的原因造成的构件破坏，比如恐怖袭击爆炸、火灾、 、撞击等作用，无论是何种原因造成的倒塌破坏，都会给人类带来严重的人员伤亡和经5济损失。由自然作用所造成的破坏我们无法避免，但可以通过设计加强结构抵御自然灾害的能力，减小结构的破坏程度。就目前发生的结构连续性倒塌事件来看，大多是由于人为因素造成的，因此有效控制人为造成的偶然事件发生可以在很大程度上降低结构发生连续性倒塌的概
10、率，首先间接的讲，政府的治安管理可以降低恐怖袭击爆炸等的发生，其次在建筑外部设置防护措施，如设置防爆墙或障碍物、对建筑外部做抗爆处理，防止汽车炸弹的袭击，还可以有效的降低爆炸对建筑的冲击压力。再次，对一些有地下车库的建筑物内部也需做相应的防护措施，例如加强梁、柱等重要构件，设置一些泄压口，减缓对建筑的冲击压力。 3.2 防止钢管混凝土结构连续倒塌的建筑措施 在结构的使用过程中，一般情况下无法预测偶然事件的发生，即无法避免偶然事件的发生，防止结构发生连续性倒塌最直观的手段就是避免结构发生可能导致连续性倒塌的局部破坏，通过结构设计是解决问题的一种方法，但是首先从建筑的角度避免局部破坏更为经济、直观
11、、有效。具体的措施包括以下几点： (1) 在建筑设计中，应尽可能多的设置疏散通道及安全区域。 (2) 尽量使建筑平面布置规则、简单，尽量避免出现些凸角，因为在偶然荷载作用下，凸角的部分整体性及延性都比较差，会更容易发生破坏。 (3) 尽量使结构的竖向布置连续，避免结构出现不连续层或薄弱层，从而导致结构在竖向力的传递不连续。当建筑遭受偶然作用时，如果导致不连续层或薄弱层的关键构件发生破坏，将有可能引起很严重的倒塌6破坏。 3.3 防止钢管混凝土框架连续倒塌的构造措施 综合国内外的研究及本文有限元分析结果，可以发现结构的整体性是影响结构抗倒塌能力的最主要的因素，而如何提高结构的冗余度、结构构件的延
12、性、鲁棒性及构件之间的连接性成为提高整体性的主要途径，具体的措施主要包括以下几点： (1) 增强钢管混凝土梁柱节点的坚固性(Robustness)及延性，提高结构整体的塑性变形及内力重分配的能力，防止节点发生破坏同时引起其相连的多个构件失效而导致结构发生连续性倒塌，如采用加强环节点形式。 (2) 减小柱距及梁的跨度，因为当单根柱子失效后，其上部的梁由原来的一跨变为两跨，跨度增大，梁的跨越能力减弱，结构发生连续性倒塌的可能性增大。 (3) 对底部关键柱的周围相邻其他柱及其上各层柱加强设计，尤其针对距失效柱最近的各层相邻柱，以保证在底层关键柱失效后其相邻的柱子仍能继续承担重新分配后的荷载，将破坏的
13、范围有效控制在局部范围内。 (4)加强与底部关键柱相连的上部梁，保证在柱子破坏后，节点处梁的弯矩由负弯矩变为正弯矩，但上部梁仍有足够的刚度和跨越能力，能够继续承担楼板传来的荷载。 (5) 当钢管混凝土框架中的梁采用钢筋混凝土梁时，保证梁底部的钢筋通长配置，并在节点处采用连续双梁或将梁端加宽，保证节点的坚7固性。 (6) 加强楼板与结构整体的连接，防止在构件失效后造成楼板的坍塌，对下层结构产生很大的冲击力，导致结构发生连续性倒塌。 (7) 在框架结构内部按照拉结法中提到的设置水平方向及竖直方向的拉杆连接系统，提高结构的连续性及整体性。当局部构件失效后，水平方向的拉结系统可以有效的将荷载传递至周围
14、构件，从而限制了破坏的蔓延。 (8) 钢管混凝土框架结构设计中必须严格满足抗震规范的要求，因为结构的抗震性能在一定程度上可以满足抗倒塌的要求，通过利用结构的抗震设计中所具备的延性及安全储备来达到抗连续性倒塌的目的。 参考文献: 1 黄真伟. 爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架结构连续倒塌的数值模拟D. 天津大学 2007 2 吴文辉. 某五星级宾馆抗连续倒塌设计研究D. 郑州大学 2011 3 卢磊. 多层钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌性能研究D. 西南交通大学 2012 4 韦韬. 近断层速度脉冲对钢筋混凝土框架结构影响的研究D. 中国地震局地球物理研究所 2005 5 田启祥. 钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌设计方法对比及性能校验D. 重庆大学 2010 6 邹圆. 非抗震设计钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌试验研究与8理论分析D. 南昌大学 2011 7 寇素霞. 考虑竖向荷载影响的框架层间弹性侧移计算D. 东北林业大学 2004 8 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 9 张作鹏. 异形柱框架结构本构关系建模与非线性全过程分析D. 湖南大学 2005 10侯耿峰. 非抗震设计的框架结构抗连续倒塌性能的延性要求D. 南昌大学 2010
