摘要：結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮的首要問(wèn)題，對(duì)于安全等級(jí)要求較高的建筑還應(yīng)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)，即結(jié)構(gòu)某部位在偶然荷載作用下發(fā)生局部破壞時(shí)，結(jié)構(gòu)能保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。本文闡述了國(guó)內(nèi)外在結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌方面研究的主要成果，提出提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的措施。

關(guān)鍵詞：連續(xù)倒塌，抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)

1引言

結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是指由于偶然荷載作用造成結(jié)構(gòu)的局部破壞，并引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致破壞向結(jié)構(gòu)的其它部位擴(kuò)散，最終導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)或整個(gè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要部分發(fā)生破壞[1]。造成結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的原因很多，總體上可以分為三類(lèi)：第一類(lèi)是施工或設(shè)計(jì)的失誤；第二類(lèi)是地震、火災(zāi)等偶然荷載；第三類(lèi)是煤氣爆炸、恐怖襲擊等偶然事件。結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生連續(xù)倒塌，就會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此有必要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力定義為當(dāng)結(jié)構(gòu)因偶然事件或局部嚴(yán)重超載而造成部分構(gòu)件突然失效時(shí)，結(jié)構(gòu)能自行調(diào)整內(nèi)力，阻止破壞過(guò)程的延續(xù)，從而保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生整體破壞的能力。現(xiàn)行國(guó)外的規(guī)范中都有詳細(xì)規(guī)定，而在我國(guó)規(guī)范中也有簡(jiǎn)要說(shuō)明。例如《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對(duì)偶然荷載工況進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，原則之一即是“允許主要承重結(jié)構(gòu)因出現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件而發(fā)生局部破壞，剩余部分具有在一段時(shí)間內(nèi)不發(fā)生連續(xù)倒塌的可靠度”。上述所提到的“連續(xù)倒塌”可以理解為結(jié)構(gòu)由于偶然事件或局部嚴(yán)重超載，造成整個(gè)結(jié)構(gòu)體系內(nèi)的部分單元超出承載能力而失效，原來(lái)作用于結(jié)構(gòu)上的荷載在剩余結(jié)構(gòu)上重新分布，剩余結(jié)構(gòu)承載條件發(fā)生變化，進(jìn)而引發(fā)部分構(gòu)件發(fā)生失效而引起新一輪的荷載分布，這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到結(jié)構(gòu)找到平衡狀態(tài)。在此定義中，整個(gè)結(jié)構(gòu)或某大部分結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是由偶然事件造成的局部破壞的擴(kuò)展和蔓延導(dǎo)致的。

2倒塌分析方法

一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)整體結(jié)構(gòu)抵抗荷載作用的能力，即結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)能夠承受最大的荷載值，而結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)考察結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞后，剩余部分抗倒塌的能力。因此，結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)不同于一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前，各國(guó)規(guī)范中涉及到的分析方法主要有：概念設(shè)計(jì)措施、拉結(jié)強(qiáng)度法、關(guān)鍵構(gòu)件法和拆除構(gòu)件法。

2.1概念設(shè)計(jì)措施

概念設(shè)計(jì)主要是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)采取一些構(gòu)造措施使結(jié)構(gòu)具有足夠的整體性、延性和牢固性，從而改善結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的能力。通常情況，風(fēng)荷載和地震荷載作用已經(jīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中予以考慮，結(jié)構(gòu)本身就具備足夠的整體性、延性和牢固性，能在一定程度上抵制連續(xù)倒塌[2]。根據(jù)具體情況采取一些概念設(shè)計(jì)措施，通?？梢栽诓辉黾舆^(guò)多造價(jià)的基礎(chǔ)上取得良好的效果[3]。概念設(shè)計(jì)一般的做法如下：合理的結(jié)構(gòu)布置，避免存在薄弱處；加強(qiáng)連接構(gòu)造，保證結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性；提高冗余度，保證多條荷載傳遞路徑；采用延性材料和延性構(gòu)造措施，實(shí)現(xiàn)延性破壞；；墻和柱能承受一定的橫向荷載。

2.2拉結(jié)強(qiáng)度法

拉結(jié)強(qiáng)度法是指在結(jié)構(gòu)中通過(guò)現(xiàn)有構(gòu)件和連接進(jìn)行拉結(jié)，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的整體性、牢固性和多條荷載傳遞路徑[4]。該方法主要是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)控制最小配筋率，并對(duì)構(gòu)件進(jìn)行有效拉結(jié)，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的整體性、牢固性和多條荷載傳遞路徑。結(jié)構(gòu)中的拉結(jié)按照方向可分為水平拉結(jié)和垂直拉結(jié)，按照位置和作用又可分為內(nèi)部拉結(jié)、周邊拉結(jié)、外柱及角柱拉結(jié)和墻拉結(jié)以及垂直拉結(jié)四種類(lèi)型[5]。拉結(jié)時(shí)應(yīng)遵循：內(nèi)部拉結(jié)時(shí)應(yīng)使傳力路線貫穿結(jié)構(gòu)；周邊拉結(jié)時(shí)應(yīng)保證傳力路線沿外表面連續(xù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可利用現(xiàn)有構(gòu)件進(jìn)行拉結(jié)，也可充分發(fā)揮鋼筋的錨固進(jìn)行拉結(jié)；外墻柱和角柱拉結(jié)時(shí)傳力路線可不貫通結(jié)構(gòu)，但必須與結(jié)構(gòu)內(nèi)部有效連結(jié)；垂直拉桿應(yīng)設(shè)置在柱或承重墻中。拉結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)無(wú)需對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，比較簡(jiǎn)便易行，但由于計(jì)算模型過(guò)于簡(jiǎn)化，其參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)性成分較多。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其可靠性和經(jīng)濟(jì)性也存在問(wèn)題。

2.3關(guān)鍵構(gòu)件法

結(jié)構(gòu)中某承重構(gòu)件因意外荷載作用破壞退出工作后，可能造成大范圍倒塌，應(yīng)將其按關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)采取一定的構(gòu)造措施，使其具有足夠的強(qiáng)度抵御意外荷載的作用。在British Standard 和Eurocode1 中，要求關(guān)鍵構(gòu)件每個(gè)方向能夠承受額外的荷載作用。將上述描述的構(gòu)件設(shè)計(jì)為關(guān)鍵構(gòu)件，當(dāng)此處發(fā)生破壞時(shí)能在一定程度上將局部破壞限制在允許的范圍內(nèi)，降低結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的可能性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將該法與拆除構(gòu)件法相結(jié)合，在保證經(jīng)濟(jì)性前提下，有效改善結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力。

2.4拆除構(gòu)件法

拆除構(gòu)件法假定某主要承重構(gòu)件破壞，分析結(jié)構(gòu)是否形成“搭橋”能力，從而判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生連續(xù)倒塌。拆除構(gòu)件法可采用線性靜力分析、非線性靜力分析、線性動(dòng)力分析和非線性動(dòng)力分析。（1）線性靜力分析是四種方法中最簡(jiǎn)單易行的方法。其主要步驟是在施加荷載之前靜力移除某承重構(gòu)件，并對(duì)剩余結(jié)構(gòu)靜力施加重力荷載。該方法簡(jiǎn)單易行，對(duì)荷載的處理比較簡(jiǎn)單，得到的結(jié)果偏保守該方法的優(yōu)點(diǎn)是步驟簡(jiǎn)單，但沒(méi)有考慮材料非線性和動(dòng)力特性，不宜用于復(fù)雜和大型結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力分析。（2）非線性靜力分析即抗震分析中的“pushover 分析”方法，它是對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行非線性全過(guò)程分析，通過(guò)逐步加大荷載值直到最大荷載值或最大位移，用該方法可以評(píng)價(jià)承受側(cè)向荷載結(jié)構(gòu)的延性性能?？紤]了材料非線性的影響，但分析相對(duì)復(fù)雜，需要確定力與位移關(guān)系曲線，沒(méi)有考慮動(dòng)力特性的影響，結(jié)果偏保守，適用于相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。（3）線性動(dòng)力分析可以動(dòng)態(tài)分析結(jié)構(gòu)豎向支撐構(gòu)件移除過(guò)程，模擬結(jié)構(gòu)真實(shí)的線彈性運(yùn)動(dòng)全過(guò)程。與等效靜力法相比，線性動(dòng)力分析法得到的結(jié)果更精確，對(duì)考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響更合理。該方法考慮了動(dòng)力特性的影響，但沒(méi)有考慮材料的非線性，建立模型和分析過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，還需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析，當(dāng)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生較大塑性變形時(shí)，對(duì)動(dòng)力特性影響的考慮可能不合理。（4）非線性動(dòng)力分析較上述三種分析方法能夠更合理地對(duì)結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下進(jìn)行連續(xù)倒塌分析，該方法同時(shí)考慮了材料非線性和動(dòng)力效應(yīng)，得到更合理的結(jié)果，但建立模型和分析過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，而且很難對(duì)分析結(jié)果做出正確評(píng)價(jià)，通常情況下，需要對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證，如果基本假定不合理或建模不合理都可能影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，在分析過(guò)程中，為了縮短結(jié)果收斂的時(shí)間，通常需要限制非線性單元的數(shù)量。

3提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的措施

目前常用的可以提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的措施：

（1）底層部位受力不利，宜抬高底層地面標(biāo)高，降低被機(jī)動(dòng)車(chē)輛撞擊的概率。

（2）對(duì)于角柱部位，應(yīng)采取防護(hù)措施避免其遭受外荷載作用。

（3）在滿(mǎn)足使用功能要求前提下，宜減小柱距和梁跨度，或采用連續(xù)梁板結(jié)構(gòu)。

（4）延性指結(jié)構(gòu)屈服后，具有足夠塑性變形能力的特性。具有延性的結(jié)構(gòu)能抵抗沖擊荷載和爆炸荷載作用，避免發(fā)生脆性破壞。可對(duì)角柱部位以及靠近底層部位進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)保證其具有一定的延性，比如以強(qiáng)柱弱梁為設(shè)計(jì)原則或采用具有延性的材料。

（5）保證結(jié)構(gòu)的超靜定性，可采用以下方法增強(qiáng)結(jié)構(gòu)超靜定性：采用連續(xù)梁體系，保證體系多余約束；增加豎向承重構(gòu)件數(shù)量，降低承重構(gòu)件的承載值；盡量采用小開(kāi)間結(jié)構(gòu)。

4小結(jié)

隨著建筑工程的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性逐漸顯現(xiàn)。我國(guó)在抗連續(xù)倒塌方面研究起步比國(guó)外晚，且目前規(guī)范中還未提出相關(guān)規(guī)定，本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的分析方法，提出了提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的方法。目前，對(duì)抗連續(xù)倒塌的分析成果有限，仍需開(kāi)展大量研究工作，使其更好地應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)實(shí)踐。

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作者簡(jiǎn)介：姓名：華夏（出生：1972-），性別：女，民族：漢，籍貫：河南省固始縣人，職稱(chēng)：工程師，學(xué)歷：本科，單位：固始縣城建局宏基建筑勘察設(shè)計(jì)室，研究方向：工業(yè)與民用建筑的設(shè)計(jì)及施工的合理化研究工作