于文慧，楊 虹，譚小平

(西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都610039)

重大建筑連續(xù)倒塌時有發(fā)生，如1968年5月英國紐罕姆23層Ronan Point公寓樓因煤氣爆炸而倒塌；1995年4月俄克拉何馬城的9層Alfred P.Murrah聯(lián)邦大廈遭受惡毒攻擊而部分倒塌；2001年9月11日紐約世貿(mào)中心雙塔遭受恐怖攻擊而整體倒塌，這些事故引起人們對結(jié)構(gòu)體系遭遇偶然作用而引起整體性和漸次倒塌的關(guān)注。美國ACI 318-02通過對結(jié)構(gòu)整體性要求提出一種處理漸次倒塌的間接方法。我國于2011年10月實施的高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3-2010)[1]第3.12.節(jié)首次提出抗連續(xù)倒塌設(shè)計的基本要求。所謂結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是由于偶然作用如爆炸、撞擊等人為事件，結(jié)構(gòu)首先遭受的是局部破壞，在一個承重豎向構(gòu)件失去后的重力作用下，構(gòu)件之間會引起所謂的連鎖反應(yīng)，破壞范圍漸次蔓延擴大，最終導(dǎo)致不相稱的過大倒塌。因此借鑒美國ASCE 7-02對漸次倒塌的定義[4]可知“建筑物連續(xù)倒塌是由最初的局部破壞在構(gòu)件之間所引起的漸進式蔓延擴展面最終導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)或不相稱的大部分倒塌”。

1 概念設(shè)計原理

對于可能遭遇爆炸、撞擊和地震等不確定意外事件的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，宜進行抗連續(xù)倒塌設(shè)計。當(dāng)無法確定前述意外事件在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的荷載效應(yīng)時，采用具有較多贅余度和延性功能的結(jié)構(gòu)體系是能有效地減低漸次倒塌程度；加強抗震細部設(shè)計和多道防線的結(jié)構(gòu)體系能減小災(zāi)難性事件所帶來的破壞；建筑物分隔成小開間增加結(jié)構(gòu)的超靜定性次數(shù)等措施均能提供結(jié)構(gòu)整體性和阻抗連續(xù)倒塌能力，其概念設(shè)計具體表現(xiàn)為下列要點。

(1)建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有阻止局部破壞在結(jié)構(gòu)中擴散，即當(dāng)某一豎向構(gòu)件發(fā)生損壞，原傳力途徑遭到破壞時，其上部及相鄰構(gòu)件應(yīng)能夠形成新的傳力路線，避免出現(xiàn)連續(xù)破壞，保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。因此應(yīng)采用贅余度高和允許出現(xiàn)多個塑性區(qū)的抗側(cè)向的結(jié)構(gòu)體系，如框架-剪力墻結(jié)構(gòu)從贅余度、抗側(cè)力方面均優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)。或者創(chuàng)造轉(zhuǎn)變傳力途徑的條件，如用雙向相交梁代替單向大梁，用轉(zhuǎn)換剛架代替大梁，框架梁中采用雙向配筋等。

(2)結(jié)構(gòu)平面設(shè)計應(yīng)力求簡單、規(guī)則，不宜采用如“U形、L形或其它具有“凹”角的不規(guī)則平面布置，避免存在可能引發(fā)連續(xù)性倒塌的薄弱部位，水平和豎向承重構(gòu)件應(yīng)沿結(jié)構(gòu)整體連續(xù)、貫通，并加強端部的錨固措施。

(3)框架主梁沿結(jié)構(gòu)平面宜連續(xù)、貫通，并具有跨越兩跨而不垮塌的能力：即當(dāng)某一承重柱破壞后，其上兩側(cè)的梁能形成跨越該柱的水平承重構(gòu)件，繼續(xù)承受重力荷載，避免出現(xiàn)豎向連續(xù)倒塌，見圖1。中間一根柱子失去后，此位置處的框架梁內(nèi)力發(fā)生改變，由上部受拉變成下部受拉。所以應(yīng)采取正確的連接、錨固措施、配置密集箍筋和足夠的貫通鋼筋，保證柱兩側(cè)梁的連續(xù)性。

圖1 失去中間柱的框架梁

(4)合理設(shè)計豎向構(gòu)件的平面布置，縱橫兩方向的結(jié)構(gòu)跨數(shù)均不應(yīng)小于兩跨；適當(dāng)減小墻體和柱子的間距，以增加結(jié)構(gòu)豎向承重構(gòu)件的數(shù)量并減小豎向承重構(gòu)件遭受局部破壞的影響范圍。

(5)不宜采用框支結(jié)構(gòu)及各類轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、裝配式大板結(jié)構(gòu)、無整澆層的裝配式樓板、裝配式樓梯等不利結(jié)構(gòu)?？蛑е⑥D(zhuǎn)換梁及單跨結(jié)構(gòu)缺少轉(zhuǎn)換傳力途徑，一旦失效易于引發(fā)連續(xù)倒塌；裝配式結(jié)構(gòu)及各類裝配式構(gòu)件在突發(fā)事件下，極易造成連接部位失效而引發(fā)連續(xù)倒塌。

(6)水平構(gòu)件應(yīng)具備抵抗由于偶然作用在結(jié)構(gòu)內(nèi)引起反向內(nèi)力的能力，見圖2。如由于爆炸作用，一股超強沖擊波從炸源向四周方向傳播，因此對樓板產(chǎn)生向上作用的壓力，使樓板承受一種反向彎矩，這與承受常規(guī)重力荷載設(shè)計的樓板的內(nèi)力相反。為此提供配置連續(xù)貫通鋼筋來承受由于偶然作用引起向上沖擊壓力產(chǎn)生的反向彎矩達到制約樓板倒塌的目的。

圖2 承受爆炸沖擊作用的框架梁

(7)充分利用樓板內(nèi)鋼筋的懸鏈作用。具有側(cè)向約束和連續(xù)貫通配筋的鋼筋混凝土樓板能達到一種大撓曲變形條件下的純受拉狀態(tài)(稱之為抗拉薄膜受力狀態(tài))，即樓板表現(xiàn)為一種懸鏈形態(tài)?，F(xiàn)推導(dǎo)樓板的懸鏈大小Ft，即樓蓋失去一個中間承重構(gòu)件后而發(fā)揮的懸鏈作用所攜帶的水平張力，見圖3。

圖3 懸鏈計算簡圖

由靜力平衡

對1/2隔離體C點取矩，∑MC=0

其中s為樓板的最大跨中(即失出柱子的部位)撓度。

這種懸鏈狀態(tài)不但增強了樓板的延性功能，同時還能加大在遭遇災(zāi)難性事件情況下的極限承載力。為有效發(fā)揮樓板內(nèi)鋼筋的懸鏈作用，現(xiàn)澆樓板宜設(shè)計成雙向板，如果是單向板應(yīng)增設(shè)樓板非計算跨度方向上的分布鋼筋用量，當(dāng)一個方向失效，另一方向可起承重作用；同時保證樓板底部配置具備足夠錨固長度的貫通鋼筋，保證樓板在跨度或主受力方向改變的情況下繼續(xù)承載。

(8)適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)內(nèi)部承重構(gòu)件的承載能力；降低豎向構(gòu)件的軸壓比、剪壓比等指標(biāo)以改善結(jié)構(gòu)的延性耗散能力；加強節(jié)點連接等措施，以抵抗突發(fā)事件導(dǎo)致內(nèi)力重分布引發(fā)的連續(xù)倒塌。

2 抗連續(xù)倒塌構(gòu)造措施

現(xiàn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3-2010)首次提出抗連續(xù)倒塌的概念設(shè)計，其要點為：應(yīng)采用必要的結(jié)構(gòu)連續(xù)措施，增強結(jié)構(gòu)的整體性。主體結(jié)構(gòu)宜受用多跨規(guī)則的超靜定結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有適宜的延性，避免剪切破壞，壓潰破壞、錨固破壞、節(jié)點先于構(gòu)件破壞。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有一定的反向承載能力。周邊及邊跨框架的柱距不宜過大。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)應(yīng)具有整體多重傳遞重力荷載途徑，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁柱宜剛接，梁板頂、底鋼筋在支座處宜按受拉要求連續(xù)貫通。獨立基礎(chǔ)之間宜采用拉梁連接。在結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施上具體體現(xiàn)如下：

2.1 框架梁抗連續(xù)倒塌措施

(1)框架結(jié)構(gòu)平面應(yīng)沿周邊布置閉合的框架梁，除周邊以外的框架梁宜在兩個主軸方向上分別貫通。

(2)框架梁應(yīng)布置以下貫通鋼筋：頂面不少于梁頂縱向配筋中較大截面面積的0.25，且不小于2φ14；底部不少于梁底縱向配筋中較大截面面積的0.5，且不小于2φ14；其連接應(yīng)采用機械連接或焊接。

2.2 框架柱抗連續(xù)倒塌措施

(1)柱軸壓比≤0.6

(2)應(yīng)至少有4根縱筋沿全高(從基礎(chǔ)頂面到屋頂)貫通，位于四角且直徑不小于16 mm。貫通鋼筋連接應(yīng)采用機械連接或焊接。

2.3 剪力墻抗連續(xù)倒塌措施

(1)剪力墻軸壓比不大于0.5

(2)連梁，當(dāng)跨高比不大于2且連梁截面寬度不小于200 mm時，除普通箍筋外，宜另設(shè)斜向交叉構(gòu)造鋼筋。

(3)剪力墻的兩端應(yīng)設(shè)置端柱(或暗柱、翼柱)，在每層樓板位置應(yīng)設(shè)置梁(或暗梁)，且沿結(jié)構(gòu)平面兩個主軸方向宜貫通設(shè)置。

(4)端柱(或暗柱、翼柱)設(shè)置如圖4，端柱(或暗柱、翼柱)的范圍和計算縱向鋼筋用量的截面面積取圖中陰影部分，最小配筋率滿足：縱向鋼筋的最小用量，取max(0.008Ac,6φ14)且柱角部至少有4根縱筋從基礎(chǔ)頂面貫穿到層頂，直徑≥14 mm，通長鋼筋連接應(yīng)采用機械連接或焊接。

圖4 剪力墻的端柱、暗柱、翼柱

箍筋直徑≥8 mm，間距≤150 mm，箍筋無支長度≤300 mm，拉筋的水平間距不應(yīng)大于縱向鋼筋間距的2倍。

(5)當(dāng)剪力墻端部為端柱時，端柱中縱向鋼筋及箍筋宜按框架柱的構(gòu)造要求配置。

3 結(jié)束語

以多贅余度、整體性和延性耗能為目標(biāo)的概念設(shè)計理念是防止結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌行之有效地措施，也深刻體現(xiàn)在現(xiàn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3-2010)中，對關(guān)鍵構(gòu)件(如框架梁、框架柱和剪力墻)的抗連續(xù)倒塌的技術(shù)措施也比現(xiàn)行抗震規(guī)范的技術(shù)措施嚴(yán)格的多。

[1] JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]

[2] 梁益，陸新征.國外RC框架抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法的檢驗與分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010(2)

[3] 葉列平.混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010(2)

[4] (美)弗蘭西斯．K．哈梅，史蒂文．M．巴德雷基.防止多高層混凝土建筑漸次倒塌的設(shè)計與分析[M].高立人，譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010