钢筋混凝土框架结构房屋的抗连续性倒塌设计

摘要：历次地震中，钢筋混凝土框架结构房屋的倒塌造成了严重的人员伤亡。本文针对钢筋混凝土框架结构房屋进行了初步定性分析，以框架结构教学楼为例指出房屋中的关键构件与易损构件重合是导致使结构倒塌的重要原因，为钢筋混凝土框架结构结构的抗震和抗倒塌设计提供了些建议。

关键词：钢筋混凝土框架；教学楼；抗连续性倒塌

中图分类号：TU378

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2013）06-0120-03

1 引言

汶川地震中，砌体结构的大量倒塌使得其成为谴责的焦点，但根据对都江堰市在汶川地震中学校建筑结构震害的统计，框架结构和砌体结构的损失程度没有明显差别，可见框架结构抗震性能存在的问题同样不可忽视。抗倒塌设计对于保护人民的生命安全有重要意义，抗倒塌设计已经纳入了新版《混凝土结构设计规范》。

建筑物遭遇强震发生连续性倒塌是造成人员伤亡的主要原因。连续性倒塌指“初始的局部单元破坏向其他单元扩展，最终导致结构整体性的或大范围区域的倒塌”。自1968年伦敦Ronan Point公寓发生局部连续性倒塌首次被关注，再到1995年美国俄克拉荷马州政府大楼遭遇汽车炸弹袭击以及2001年美国世贸中心遭遇恐怖袭击产生连续性倒塌，关于结构抗连续性倒塌能力的研究颇多，产生了一系列结构抗连续性倒塌的设计方法。

早期的研究偏重于概念设计，主要通过加强结构的整体性、延性、冗余度和构造措施未挺高结构抗连续性倒塌能力，这依赖于设计人员的经验和结构素养。随之产生了拉结力设计法，其要求构件和连接满足最低的拉结强度要求，以保证结构的整体性和备用传力路径及传递能力。Breen认为，相对于仅关注荷载强度，更应通过强化结构体系内部系杆的拉结作用提高结构整体性。目前最为准确的抗连续性倒塌方法当属拆除构件设计法，通过拆除结构中部分构件，模拟结构初始损伤对剩余构件的影响，以判断结构是否发生连续性倒塌，本文在后文中借鉴了此方法。三种方法设计准确性和可靠度依次提高，伴随的是计算量的大幅增加。

以上三种方法中前二者均从结构整体层面来把握设计，仅拆除构件法反映出局部构件对于整体结构的影响。本文针对教学楼中框架结构这一重要的结构形式，从拆除构件法出发，着眼于局部，指出框架教学楼中底层柱特别是离外廊较远的一排框架柱是结构的关键构件同时又是结构的易损构件，而关键构件与易损构件的重合导致结构发生倒塌，亦即大量框架教学楼倒塌的重要原因。

2 我国混凝土框架结构房屋的震害情况

总结历次地震中钢筋混凝土框架结构房屋的震害，主要有四个特点：

2.1 “强柱弱梁”没有实现。塑性铰形成于柱端，而不是在梁端。在图1、图2、图3、图4中都可见；

2.2 部分房屋因为开窗面积大，窗间墙很短或者没有，产生短柱效应，如图2所示；

2.3 框架结构房屋破坏顺序是从下至上，先是底层破坏，再往上发展。如台湾云林口国小（图1）在集集地震中底层最先因为柱失效倒塌。

2.4 在纵向上有的框架结构房屋出现“叠饼式”破坏（图1），在横向上有向背靠外廊方向“叠饼式”（图3）和整体倾覆（图4）。

3 关键构件与易损构件

关键构件是结构中一旦失效就会引起不相称破坏的构件。关键构件处在传力路径上的关键环节，一旦失效后就会引起传力路径中断，引起连续性坍塌。关键性构件的辨别可以通过商用结构计算软件，依次抽除构件后，经计算分析结构损伤程度来进行，对简单的结构也可根据经验未判断。易损构件是在所有可预期地震载荷作用下结构中最先开始破坏并失去承载力的构件。对结构用商用计算软件计算分析即可得到结构的易损构件。

而假使结构中某个关键构件同时又是结构的易损构件，那么在地震载荷下，此构件极易破坏失效，引起不相称破坏的连续性倒塌。可表示成如下式子：

关键构件=易损构件结构倒塌

4 对钢筋混凝土框架结构房屋倒塌分析

4.1 钢筋混凝土框架房屋的易损构件

历次地震中，“强柱弱梁”破坏机制没有实现，大量出现的柱铰机构是框架结构整体失稳倒塌的重要原因。文献对汶川地震灾区某典型框架结构建立三种有限元模型进行分析：1）一般的纯框架模型；2）带楼板框架模型3）精细的带楼板一填充墙框架模型，分析结果说明现浇楼板对框架梁的加强作用明显，不可忽略，按照规范设计的框架无法保证“强柱弱梁”的抗震设计目标的实现。文献中论述填充墙和框架梁的共同作用形成近似于墙梁的构件，使得梁的刚度大大增加。如文献中教学楼局部纵向框架二楼的窗下墙与框架梁共同作用（图8），使得梁的刚度远大于柱的刚度，从而使原设计的强柱弱梁（梁铰机构）体系变位强梁弱柱（柱铰机构）体系。文献在进行完框架梁与上部墙体的墙梁的抗震试验后，在理论分析中认为这种组合墙梁抗弯刚度远大于底层可框架柱，可以将其视为抗弯刚度无限大的刚梁。可见现浇楼板与填充墙都严重影响结构产生“强柱弱梁”。框架柱在侧向力作用下剪力均布、弯矩两端最大，在柱端形成复杂受力状态，而在柱顶不合理地留设施工缝也会对柱端形成塑性铰带来不利影响。剪切型破坏的框架结构变形集中在底层，底层柱更容易失效。

在横向地震下，考虑到跨度相差悬殊的两跨框架，可以将外廊一侧两排较近的柱视做具有冗余度的柱系，横向地震作用产生的倾覆力矩作用于框架将在两排柱上产生往复的拉压力，或者是直接竖向的地震力，外廊一侧的冗余柱系能共同工作，离外廊较远的一排柱更为易损。

可见，框架结构柱特别是底层柱是结构的最易损构件，在纵向地震作用下离外廊较远的一排柱有更不利影响。

4.2 钢筋混凝土框架房屋的关键构件

以某框架结构教学楼为例，在纵向地震作用下，某根框架柱失效，由于梁的悬链线效应和板的张力效应，相邻的柱将承载更大的载荷，引起连续性倒塌（图1），框架柱是结构的关键构件。

为了说明在横向方向上底层各个框架柱失效给结构带来的影响，本文取四层框架教学楼中取横向一榀框架为研究对象，对底层三根框架柱依次抽除进行分析。框架教学楼模型外廊宽2m，教室宽7.5m，层高都取3.6m，柱距3m。假设框架柱都固支于地面。混凝土板厚100mm，楼面活载标准值为2kN/m2。柱截面为400x400，配筋为8φ20，梁截面为250x500。分析后得弯矩图（图7）。

由于框架底层在地震作用下最容易失效，限于篇幅，本文将底层梁柱的内力设计值列表如表1、表2（梁柱编号见图6）。

可以得以下结论：

1）由图10，去除A柱后，整个框架的内力状态不发生明显改变；去除C柱后，右边一跨形成大跨度悬臂构件整个结构大部分截面内力增加数倍；去除B柱后由于支撑框架的两柱跨度增大，截面弯矩增加，变化幅度介于两者之间，但远小于抽除C柱的情况。

2）在去除C柱后，底层梁柱截面内力远超承载能力。如B梁，左截面抗弯承载能力设计值为228.9kN·m，右截面为184.7kN·m，而其内力设计值达到473.4kN·m和214.9kN·m。

3）去除C柱后，整个结构的重力合力作用点在A柱B柱之外，分析结果为A柱一排的各层框架柱轴力为拉力，B柱一排的各层框架柱轴力为压力。A柱轴拉力为1113.4kN，B柱轴压力为2035.8kN，而原模型A柱轴压力为122.3kN，B柱轴压力为447kN。

4.3 关键构件与易损构件重合引起教学楼倒塌

框架结构教学楼中柱尤其是底层柱是结构的易损构件同时又是结构的关键构件，在横向地震作用下离外廊较远一侧的柱更是有不利影响，关键构件与易损构件重合导致结构连续性倒塌。在纵向、横向地震作用下的教学楼倒塌各有其特点，但重要原因就是教学楼中的关键构件与易损构件重合。

5 意见与建议

本文基于使关键构件不与易损构件重合的原则，提出两种抗倒塌设计的解决方案：1）.增加关键构件的强度富余，使关件构件不是易损构件，如增加框架柱截面、配筋面积、提高材料强度，使用短肢剪力墙或者使用在框架中使用斜撑等。其中设置钢斜撑能使其先于混凝土框架耗能失效，使整个结构具有多道防线。在日本，混凝土框架房屋采用钢斜撑耗能抗震已有实际应用；2）.加强易损构件的冗余，使结构易损构件不是关键构件，即易损构件失效时，有替代的传力路径。比如钢筋混凝土结构教学楼，可以使用内廊式教学楼，或者如图8采用“双外廊”避免内廊式带来的采光通风问题。还可以使用如图9布置的框架体系，具有较好的冗余度。

6 结语

本文通过分析以往钢筋混凝土框架结构震害，指出在钢筋混凝土框架结构中关键构件与易损构件的重合导致结构发生倒塌，这也是大量钢筋混凝土框架教学楼倒塌的重要原因之一。最后从关键构件与易损构件两方面人手提出了意见与建议，以避免结构中的关键构件与易损构件的重合。