鋼筋混凝土建筑抗倒塌設(shè)計研究獲獎科研報告

鋼筋混凝土建筑抗倒塌設(shè)計研究獲獎科研報告摘

要：在我國快速發(fā)展的過程中，隨著我國的經(jīng)濟(jì)在快速的發(fā)展，我國的建筑行業(yè)發(fā)展十分迅速，在近年來建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，建筑倒塌問題愈發(fā)嚴(yán)重，受到了社會大眾廣泛的關(guān)注?；诖?，文章針對鋼筋混凝土建筑抗倒塌設(shè)計工作展開了詳細(xì)地分析和研究。

關(guān)鍵詞：連續(xù)倒塌;鋼筋混凝土;結(jié)構(gòu)破壞

引言

建筑物的連續(xù)倒塌是指由于部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞而引起的在水平方向或垂直方向上結(jié)構(gòu)的連鎖性破壞而造成的整個結(jié)構(gòu)或大部分結(jié)構(gòu)的倒塌現(xiàn)象。這種倒塌的結(jié)果通常要超過引起連續(xù)倒塌的偶然荷載本身所能夠造成的損害，即結(jié)果與起因之間是一種不平衡的關(guān)系。因此，建筑物的連續(xù)倒塌往往會造成超乎人們想象的損害。本文參照國外的研究成果，并結(jié)合我國實際情況與現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范，防止建筑連續(xù)倒塌的一般原則，在此基礎(chǔ)上提出鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的防倒塌設(shè)計的一般思路與抗倒塌策略。

1建筑分類

建筑抗倒塌設(shè)計一般是指避免建筑在遭受煤氣爆炸、炸彈爆炸、飛行器或大型汽車撞擊等偶然事件時發(fā)生連續(xù)倒塌。這種偶然事件可能造成部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞，如果結(jié)構(gòu)不能耗散偶然荷載產(chǎn)生的能量或阻斷破壞的發(fā)展，就會在垂直方向或水平方向引發(fā)連鎖破壞，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)倒塌。建筑抗倒塌設(shè)計的困難首先是偶然事件的不確定性。因為此類偶然事件屬人為失誤或故意破壞造成的，它的不確定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地震和颶風(fēng)等自然災(zāi)害的不確定性。目前，人們幾乎無法預(yù)測建筑在使用周期內(nèi)可能遇到此類偶然事件的具體情況，所以就無法為設(shè)計者提供詳細(xì)的設(shè)計參數(shù)。顯然，建筑抗倒塌設(shè)計采用常規(guī)的設(shè)計方法既不經(jīng)濟(jì)也不安全。但是，研究表明這種偶然事件和連續(xù)倒塌的風(fēng)險是不能忽略的，并且其危險性正在增加。所以，建筑抗倒塌設(shè)計策略應(yīng)該是：通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性，增加結(jié)構(gòu)的延性、連續(xù)性和贅余度，使結(jié)構(gòu)具有“搭橋”能力和懸索作用，當(dāng)部分構(gòu)件破壞后能改變傳力路線，將破壞限制在允許的范圍內(nèi)，達(dá)到避免建筑倒塌目的。

2鋼筋混凝土建筑抗倒塌對策研究

2.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)倒塌方法

在進(jìn)行抗倒塌設(shè)計工作時，設(shè)計工作人員需要針對不同類別的建筑設(shè)定不同的設(shè)計工作目標(biāo)，采用多種抗倒塌設(shè)計方式來進(jìn)行對比，從中選擇出最佳的設(shè)計方案。在建筑設(shè)計中，需要充分考慮到建筑體可能受到的自然災(zāi)害，明確建筑抗倒塌設(shè)計工作的前提條件。由于建筑體的初始布局及建筑的破壞性因素比較復(fù)雜，不同的初始設(shè)計布局會導(dǎo)致后續(xù)抗倒塌設(shè)計的不同結(jié)果。相關(guān)設(shè)計工作人員需要明確建筑體所能承受的最大破壞程度，在此基礎(chǔ)上對整個鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能進(jìn)行改進(jìn)。

2.2防止連續(xù)倒塌的結(jié)構(gòu)措施

面對建筑的連續(xù)倒塌，更重要的是從結(jié)構(gòu)上采取措施，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的冗余度、延性、連續(xù)性和整體性，以達(dá)到防止建筑連續(xù)倒塌的目的。（1）加強(qiáng)關(guān)鍵構(gòu)件抵抗局部破壞的能力。加強(qiáng)關(guān)鍵構(gòu)件的抗破壞能力是最為直接的方法。通過對于結(jié)構(gòu)中容易受到外部威脅并且承擔(dān)主要荷載的關(guān)鍵構(gòu)件的加強(qiáng)，可以增強(qiáng)其抵抗破壞的能力是建筑物的局部破壞程度減到最小，從而達(dá)到防止連續(xù)倒塌的目的。（2）增加結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的冗余度，改變荷載傳遞路徑。建筑物連續(xù)倒塌的發(fā)生過程，由于結(jié)構(gòu)局部破壞造成部分構(gòu)件失效，該構(gòu)件上部結(jié)構(gòu)的原有傳力途徑被阻斷，若不能形成新的傳力途徑，會產(chǎn)生連鎖的破壞，最終造成建筑物倒塌?；谝陨蠈B續(xù)倒塌的認(rèn)識，如果結(jié)構(gòu)具有充分的冗余度，在局部發(fā)生破壞以后，能夠通過余下的構(gòu)件，形成新的傳力途徑，就能夠阻止連續(xù)倒塌的發(fā)生。（3）增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性。對于爆炸這樣的偶然荷載，要使結(jié)構(gòu)能夠完全抵抗，而不發(fā)生破壞是不現(xiàn)實的。防倒塌設(shè)計的主要目的是最大限度的保護(hù)人員及財產(chǎn)，從而建筑發(fā)生較大的變形是允許的。重要的是整體結(jié)構(gòu)能夠通過個別構(gòu)件的較大變形以充分爆炸荷載產(chǎn)生的能量，以達(dá)到法制連續(xù)倒塌的目的。這就需要結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有充分的延性、整體性和連續(xù)性。對建筑進(jìn)行分區(qū)，將破壞限制在獨(dú)立的區(qū)域以內(nèi)。這是一種反其道而行的方法。有些時候我們很難通過上面的方法是結(jié)構(gòu)足我們的方方面面的要求，這是我們可以在結(jié)構(gòu)上對于建筑進(jìn)行分區(qū)，使各區(qū)域各自獨(dú)立，各區(qū)域間聯(lián)系并不緊密，當(dāng)建筑受到局部破壞時，連續(xù)倒塌的發(fā)生由于各分區(qū)間薄弱層的阻斷，使連續(xù)倒塌限定在單獨(dú)的區(qū)域以內(nèi)，從而保護(hù)了其余的分區(qū)。

2.3板柱結(jié)構(gòu)抗倒塌研究概況

板柱結(jié)構(gòu)作為一種常用的結(jié)構(gòu)形式，特別是《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》2011版擴(kuò)大了板柱一抗震墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍，可以預(yù)見板柱一抗震墻結(jié)構(gòu)將會得到越來越多的運(yùn)用。但對鋼筋混凝土板柱結(jié)構(gòu)抗倒塌研究的文獻(xiàn)卻很少見，特別是針對板柱結(jié)構(gòu)遭遇柱破壞后，發(fā)生連續(xù)倒塌破壞的研究很少見諸文獻(xiàn)。板柱結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究多見于對板柱節(jié)點(diǎn)抗震性能方面。有試驗表明，有抗剪鋼筋的板柱節(jié)點(diǎn)，其轉(zhuǎn)動能力可以達(dá)到4%。但板柱節(jié)點(diǎn)的滯回曲線均為捏攏型，耗能能力差。國外的板柱一剪力墻結(jié)構(gòu)理論體系中，多采用彈性分析得到層間位移上限值為1.5%-2%的結(jié)論。在遭遇強(qiáng)烈地震時，板柱一剪力墻結(jié)構(gòu)體系的耗能機(jī)制和抗倒塌性能并未得到系統(tǒng)的研究。水平地震作用下，一個或者多個板柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖切一彎曲破壞，板柱節(jié)點(diǎn)失效，如果板柱節(jié)點(diǎn)處傳柱鋼筋不能承載該節(jié)點(diǎn)處荷載（實際上《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》為防止板掉落，對板柱節(jié)點(diǎn)處穿柱鋼筋面積有要求），則板面掉落，板柱結(jié)構(gòu)倒塌;柱失效后，原柱支承板面荷載分至相鄰節(jié)點(diǎn)，可能導(dǎo)致相鄰節(jié)點(diǎn)處沖切一彎曲破壞，從而結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌;與水平地震作用不同的是，板柱結(jié)構(gòu)柱失效后破壞，板面重力荷載可能具有更大的動力沖擊性（豎向），而水平地震作用時（水平），板柱結(jié)構(gòu)板面重力荷載的作用動力特征與之不同;相同的是，板柱節(jié)點(diǎn)處配置足夠穿柱鋼筋，對于節(jié)點(diǎn)破壞后的新荷載路徑的形成具有重要意義。

結(jié)語

盡管建筑在其使用期內(nèi)遭遇爆炸和恐怖襲擊等偶然事件的可能性很小，可是由于此類偶然事件在建筑中產(chǎn)生的荷載往往超過建筑設(shè)計時的允許荷載，