劉歡歡 麻 琳

（洛陽(yáng)理工學(xué)院， 河南 洛陽(yáng) 471000）

關(guān)鍵字：RC 框架結(jié)構(gòu)；連續(xù)倒塌；倒塌破壞機(jī)制；對(duì)策

0 引言

結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是指由于偶然荷載（如爆炸、沖擊、火災(zāi)、地震等）的作用而導(dǎo)致構(gòu)件初始破壞失效后，這種破壞不斷擴(kuò)展而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌，最終的破壞與初始局部破壞之間的不成比例是連續(xù)倒塌的顯著特點(diǎn)[1]。我國(guó)規(guī)范[2][3]中逐漸體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)思路，但多為概念設(shè)計(jì)，系統(tǒng)性欠缺。CECS392:2014）[4]較為系統(tǒng)和深入地總結(jié)了我國(guó)連續(xù)倒塌研究的成果，標(biāo)志著工程結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)具備了可操作性。本文著眼于抗連續(xù)倒塌的破壞機(jī)制展開對(duì)RC 框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌對(duì)策分析，豐富了連續(xù)倒塌相關(guān)研究?jī)?nèi)容。

1 連續(xù)倒塌破壞模式及失效準(zhǔn)則

豎向連續(xù)倒塌和混合連續(xù)倒塌是針對(duì)RC 框架結(jié)構(gòu)的兩種主要的連續(xù)倒塌模式[5]。豎向連續(xù)倒塌指發(fā)生初始損傷后，造成的破壞只在豎直方向發(fā)生，RC 框架結(jié)構(gòu)中的柱由于初始破壞失效后，不平衡荷載通過(guò)與其相連的框架梁傳遞至相鄰柱，造成梁構(gòu)件破壞，由于相鄰柱剛度足夠大，不平衡荷載由柱傳遞至引起上部結(jié)構(gòu)，從而引起豎直方向的坍塌；混合連續(xù)倒塌是指倒塌破壞方向除了豎直方向還包括水平方向，RC 框架柱發(fā)生破壞失效后，同層的某些相鄰柱由于抗側(cè)移剛度不足而導(dǎo)致同層其他的水平梁發(fā)生連續(xù)倒塌破壞，即破壞沿著水平方向發(fā)展，同時(shí)某些柱由于抗側(cè)移剛度足夠大導(dǎo)致豎直方向的破壞，兩者混合發(fā)生，彼此影響。

結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的程度大小決定了結(jié)構(gòu)是否發(fā)生連續(xù)倒塌破壞，因此需要規(guī)定最終的倒塌破壞標(biāo)準(zhǔn)。目前強(qiáng)度準(zhǔn)則、變形準(zhǔn)則、機(jī)構(gòu)準(zhǔn)則、疲勞破壞準(zhǔn)則等倒塌失效準(zhǔn)則已被提出[6]，針對(duì)目前常用的拆除構(gòu)件法，建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范（CECS392:2014）主要采用了強(qiáng)度準(zhǔn)則和變形準(zhǔn)則，兩個(gè)失效準(zhǔn)則屬于構(gòu)件層次，失效范圍縮小至構(gòu)件有利于可操性；強(qiáng)度準(zhǔn)則的適用條件局限于線性靜力分析方法，相比而言，非線性動(dòng)力分析方法可能誤差較小，因此針對(duì)RC 框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌判別，盡可能采用多維度多層次的判別方法。

2 RC 框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的受力機(jī)理

由兩根梁和三根柱組成的梁柱子結(jié)構(gòu)，中柱遭遇破壞后退出工作，假定柱能夠提供足夠的支撐約束而不破壞，體系共同抵抗不平衡荷載，直至梁構(gòu)件發(fā)生連續(xù)倒塌破壞。梁作用階段和懸索階段是子結(jié)構(gòu)必經(jīng)的連續(xù)倒塌階段[7]，對(duì)于RC 框架結(jié)構(gòu)的板則經(jīng)歷了薄膜作用。

2.1 梁作用階段

周育瀧[8]等人認(rèn)為此階段結(jié)構(gòu)抵抗倒塌的抗力主要由梁截面彎矩提供，失效柱的附近梁截面提供正彎矩，此區(qū)域產(chǎn)生裂縫，中性軸上移，而遠(yuǎn)離失效柱的梁端截面提供負(fù)彎矩，同時(shí)產(chǎn)生裂縫，中性軸下移，此過(guò)程相當(dāng)于壓拱作用抵抗不平衡荷載，因此需要與梁相連接的柱能夠提供足夠的水平約束來(lái)保證壓拱作用的發(fā)揮，隨著截面承受的彎矩繼續(xù)增大，塑性鉸形成后，壓拱作用逐漸減弱，直至退出梁作用階段。

2.2 懸索作用階段

隨著連續(xù)倒塌進(jìn)程發(fā)展，結(jié)構(gòu)進(jìn)入大變形階段，此時(shí)混凝土裂縫發(fā)展充分而失去作用，梁內(nèi)主要依靠縱向受力筋提供軸力，以此抵抗不平衡荷載。當(dāng)所有鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度，受壓區(qū)混凝土達(dá)到抗壓極限而破壞失效，由抗力與截面拉力之間的平衡關(guān)系和豎向位移與構(gòu)件應(yīng)變間的關(guān)系，得到懸索階段開始時(shí)子結(jié)構(gòu)的抗力表達(dá)式；隨著塑性鉸的發(fā)展，子結(jié)構(gòu)仍能承受外荷載，縱向受力鋼筋達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，截面抗力最大，直至鋼筋截面發(fā)生頸縮破壞，宣告連續(xù)倒塌進(jìn)程結(jié)束，由抗力與截面拉力之間平衡關(guān)系得到最終的抗力值。

2.3 薄膜作用階段

板和梁柱在RC 框架結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)倒塌過(guò)程中共同抵抗不平衡荷載，針對(duì)板的連續(xù)倒塌受力機(jī)理研究局限在數(shù)值模擬和試驗(yàn)。實(shí)踐證明[9][10]，板與梁柱共同參與抵抗RC 框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌過(guò)程，大大提高了抵抗連續(xù)倒塌的能力。在連續(xù)倒塌起初，板內(nèi)截面主要承擔(dān)截面彎矩，表現(xiàn)為受壓薄膜內(nèi)力，隨著連續(xù)倒塌進(jìn)程發(fā)展，板內(nèi)的薄膜內(nèi)力形式可能發(fā)生改變，可以從受壓的薄膜內(nèi)力轉(zhuǎn)化為受拉的薄膜內(nèi)力，依靠板內(nèi)受拉鋼筋提供。

3 基于抗連續(xù)倒塌破壞機(jī)制的對(duì)策

3.1 采用強(qiáng)度高的混凝土和鋼筋

以上分析可知，梁構(gòu)件在梁作用階段主要由混凝土和鋼筋共同承受截面彎矩，其中混凝土的強(qiáng)度大小決定了此階段持續(xù)的長(zhǎng)短，因此可采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度大的新型混凝土材料來(lái)彌補(bǔ)普通混凝土的強(qiáng)度不足；另外，梁構(gòu)件縱筋在梁作用階段也參與抵抗截面彎矩，但受拉性能的充分發(fā)揮主要體現(xiàn)在抗連續(xù)倒塌的懸索階段，因此，鋼筋的強(qiáng)度大小主要影響梁構(gòu)件連續(xù)倒塌破壞發(fā)生的先后，適當(dāng)增大鋼筋的抗拉強(qiáng)度將延緩連續(xù)倒塌破壞的發(fā)生，對(duì)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是有利的。

3.2 增加多余約束

增加多余約束能有效增加結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，超靜定結(jié)構(gòu)除了能抵抗不平衡荷載之外，同時(shí)能夠保證結(jié)構(gòu)的幾何不變體系特性，當(dāng)某構(gòu)件遭遇破壞時(shí)可由剩余體系抵抗不平衡荷載?？刹捎靡韵率侄卧黾佣嘤嗉s束：一是設(shè)置數(shù)目適量的受力構(gòu)件[11]，以提供足夠的備用傳力路徑，當(dāng)某些受力構(gòu)件遭破壞失效后，通過(guò)剩余多個(gè)構(gòu)件發(fā)揮梁作用、懸索作用共同抵抗不平衡荷載；二是避免簡(jiǎn)支梁的設(shè)計(jì)，注意結(jié)點(diǎn)約束的處理，通過(guò)增加多余約束的數(shù)量來(lái)保證受力機(jī)制的發(fā)生。

3.3 增強(qiáng)柱的側(cè)移剛度

在RC 框架結(jié)構(gòu)中通過(guò)加強(qiáng)柱的設(shè)計(jì)能夠預(yù)防混合式連續(xù)倒塌的發(fā)生，由于增強(qiáng)柱的側(cè)移剛度從一定程度上使柱端產(chǎn)生較大彎矩，保證柱在梁之后發(fā)生破壞，即發(fā)生豎向連續(xù)倒塌的幾率高于混合式連續(xù)倒塌；同時(shí)，提高側(cè)移剛度保證了柱端大變形的能力，通過(guò)為相連的梁端提供足夠的水平約束力而促進(jìn)壓拱作用的發(fā)生，有利于梁作用的發(fā)揮?？赏ㄟ^(guò)以下手段進(jìn)行提高：一是選取恰當(dāng)?shù)慕孛嫘问剑欢且诉m當(dāng)增加底層柱的縱向配筋的最小配筋率，并符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定；三是強(qiáng)化梁柱節(jié)點(diǎn)，保證梁柱之間的不平衡荷載有效傳遞。

3.4 增強(qiáng)梁縱筋的錨固

在懸索階段，混凝土完全失效，結(jié)構(gòu)主要通過(guò)梁截面內(nèi)縱向鋼筋的拉力提供抗力，因此保證鋼筋拉力的充分發(fā)揮至關(guān)重要?？赏ㄟ^(guò)以下手段增強(qiáng)：一是確保受力縱筋通長(zhǎng)布置在梁內(nèi)，這是懸索作用發(fā)揮的基本條件；二是縱筋兩端錨固到梁柱節(jié)點(diǎn)的混凝土中時(shí)確保足夠的錨固長(zhǎng)度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮符合抗連續(xù)倒塌要求的的錨固長(zhǎng)度，通過(guò)提供足夠的水平約束力保證鋼筋的軸向拉力逐漸增強(qiáng)，達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限后破壞。

3.5 加強(qiáng)板的連續(xù)性

結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)倒塌的過(guò)程中不可忽視板的重要作用，提高其連續(xù)性能更好發(fā)揮與梁柱的協(xié)同作用?？刹扇∫韵率侄危阂皇且蟀迮c梁的連接盡量采用現(xiàn)澆的方式，以提供足夠的水平約束來(lái)保證薄膜壓力的發(fā)生；二是板內(nèi)配筋雙層雙向布置，使發(fā)生連續(xù)倒塌破壞時(shí)提供可發(fā)生的內(nèi)力支持；三是板周圍梁的支承采用四邊支承的方式，其優(yōu)于三邊支承和兩邊支承的方式，板被四邊支承時(shí)形成兩個(gè)方向的約束，有助于雙向薄膜內(nèi)力的發(fā)揮。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要從破壞模式及失效準(zhǔn)則和受力機(jī)理兩個(gè)方面總結(jié)了RC 框架結(jié)構(gòu)在連續(xù)倒塌過(guò)程中的破壞機(jī)制，在此基礎(chǔ)上提出RC 框架結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)倒塌的應(yīng)對(duì)措施，結(jié)合材料特性、結(jié)構(gòu)特性、構(gòu)件特性等方面具體闡述對(duì)策，為預(yù)防和控制RC框架結(jié)構(gòu)提供參考。隨著抗連續(xù)倒塌破壞機(jī)制在定量化理論研究方面的深入，系統(tǒng)化的RC 框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌對(duì)策將真正應(yīng)用到工程實(shí)踐中。