姚定釗

摘 要：本文主要闡述了在地震等災(zāi)害下結(jié)構(gòu)坍塌的原因，論述了目前倒塌結(jié)構(gòu)存在的各項問題，總結(jié)了目前的倒塌結(jié)構(gòu)破壞規(guī)律與防止倒塌的措施，希望能為抗倒塌工程的建設(shè)提供幫助。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)工程;抗倒塌;設(shè)計

世界上每年都會因為各種原因發(fā)生各種的建筑倒塌事件，給人們的生命與財產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重的影響。因此研究結(jié)構(gòu)工程的坍塌規(guī)律，提高建筑在地震、爆炸等外界因素作用下的抗倒塌能力就顯得格外重要?，F(xiàn)在的抗倒塌設(shè)計有兩種，一種是為了抵抗地震的設(shè)計;另一種是抵抗爆炸的設(shè)計。地震能帶來嚴(yán)重的人員傷亡與財產(chǎn)順勢，例如1976年的唐山大地震，共造成24.28萬人死亡，損失150億美元;而恐怖襲擊等發(fā)生的爆炸也一樣會帶來損失，同時還會引起社會恐慌，例如美國世貿(mào)大廈在2001年受到基地組織的襲擊而倒塌，造成了3225人死亡或失蹤，損失經(jīng)濟(jì)450億美元。這類事故不勝枚舉，人們也在逐年加強建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但目前仍沒有較好的解決辦法。

1 結(jié)構(gòu)倒塌類型及特點

1.1 地震

1.1.1 砌體結(jié)構(gòu)

在我國，砌體結(jié)構(gòu)占了相當(dāng)大的一部分，砌體結(jié)構(gòu)的倒塌效果如圖1所示：

圖1 砌體結(jié)構(gòu)的倒塌效果

根據(jù)汶川地震的調(diào)查顯示，許多砌體結(jié)構(gòu)的建造并不合理，許多建筑為了節(jié)省材料與增加空間都沒有設(shè)置立柱和圈梁，而有的設(shè)置了立柱與圈梁的卻因為配筋不正確等因素也在地震中坍塌了;結(jié)構(gòu)上下層的剛度不同，導(dǎo)致剛度低的樓層先被壓塌而后引發(fā)坍塌，因此在建筑設(shè)計中要把握好結(jié)構(gòu)層的剛度;目前有的建筑為了節(jié)約成本所使用的材料不達(dá)標(biāo)，空心板連接不到位等。

1.1.2 混凝土結(jié)構(gòu)

我國城市中大多是混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)坍塌效果如圖2所示：

圖2 混凝土結(jié)構(gòu)坍塌效果

混凝土結(jié)構(gòu)倒塌的原因是：地區(qū)建筑的抗震強度不足以應(yīng)對實際地震的強度;樓層的剛度不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致高剛度的樓層壓垮了低剛度的樓層;有的框架結(jié)構(gòu)沒有遵從“強柱弱梁”的建造原則，在發(fā)生地震時，柱體遭到破壞而引發(fā)坍塌，雖然在實際建筑中很難實現(xiàn)強柱弱梁，但是也需要考慮如何加強柱體的強度，讓其在地震時不那么快發(fā)生柱鉸，讓內(nèi)部人員有時間逃離。

1.1.3 鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)的抗震性是最好的，破壞效果如圖3所示：

圖3 破壞效果

汶川地震后，有57%的輕鋼結(jié)構(gòu)可以直接被再次使用，而其余43%也可以在加固后加以使用。輕鋼結(jié)構(gòu)由于節(jié)點處需要許多焊縫，而受力處也恰恰是節(jié)點處，因此在地震時也難免會發(fā)生斷裂，但是輕鋼結(jié)構(gòu)也要遵從強柱弱梁的建筑原則。

1.2爆炸沖擊

爆炸沖擊引發(fā)的建筑坍塌事故正在逐年增多，當(dāng)爆炸發(fā)生時，炸彈、飛機(jī)等撞擊到建筑局部，導(dǎo)致建筑物荷載受力傳遞發(fā)生改變，其余構(gòu)建無法承受傳遞過來的力而發(fā)生坍塌。如圖4所示：

圖4 爆炸沖擊坍塌

2 抗倒塌設(shè)計的原則

2.1 地震發(fā)生時的抗倒塌計算

2.1.1 日本規(guī)范

日本是世界上地震發(fā)生頻率較高的國家，因此對建筑抗震有很深的研究，日本在2009年推出了抗震規(guī)范BSL2009，有效降低了地震帶來的損失。BSL2009中將地震分為兩個水準(zhǔn)：第一中震，中震是指地震加速度在0.08g～0.19g，在建筑壽命內(nèi)發(fā)生一定次數(shù)的地震。終中震水準(zhǔn)規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)不允許有破壞，非結(jié)構(gòu)建筑可以有不發(fā)生危險的破壞;第二強震，強震在建筑壽命內(nèi)只能發(fā)生一次，振動加速度為0.3g～0.49g。強震水準(zhǔn)下的建筑應(yīng)保證不倒塌，不會發(fā)生引起安全事故的破壞。在BSL2009中，用標(biāo)準(zhǔn)基地剪力系數(shù)與地震區(qū)域系數(shù)反映了建筑結(jié)構(gòu)抗震標(biāo)準(zhǔn)。日本的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分為兩個階段，第一個階段使用了容許應(yīng)力法;第二階段利用建筑對側(cè)向力的承載力進(jìn)行變形與延伸驗算。

2.1.2 美國規(guī)范

美國目前使用的IBC2000規(guī)范是一套比較完整的規(guī)范，有效降低了美國地震帶來的損失，例如在2001年，美國西雅圖發(fā)生了7級地震，但是卻沒有造成一間房屋倒塌和一人死亡。

美國抗震規(guī)范主要是防止建筑結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時生命力損失或失效。美國的抗震水準(zhǔn)是以大震為代表，在一般設(shè)計時會折減為大震系數(shù)的2/3，通過利用不同延性等級的建筑來控制地震作用與建筑耗能。在建筑設(shè)計時，先要確定建筑的類型與所需延性，再計算出修正系數(shù)，制作出彈塑性反應(yīng)譜。

2.1.3 中國規(guī)范

我國的抗震規(guī)范制定原則是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，設(shè)計分為兩個階段。第一個階段是模擬小震的情景，計算出建筑結(jié)構(gòu)的彈性承載力，確保建筑結(jié)構(gòu)有足夠的強度，在此基礎(chǔ)上采取一定措施;第二個階段還需要對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性變形驗算，保證結(jié)構(gòu)不變形。在計算方法上，我國與日本、美國的方法差不多。

2.2 規(guī)范結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌計算

英國是最早開展建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌研究的，也逐漸退出了相關(guān)規(guī)定。例如英國的BS8110-1：1997以及歐洲的EN1991-1-7：2006等，而美國之后制定的規(guī)范GSA2003更加詳細(xì)的規(guī)范了建筑抗連續(xù)倒塌的能力。目前建筑的抗連續(xù)倒塌設(shè)計有兩種方法：第一直接方法，該方法要求建筑物的構(gòu)建能夠在建筑發(fā)生破壞后直接抵抗荷載;第二間接方法，該方法規(guī)定建筑在發(fā)生破壞時，破壞部位周邊的結(jié)構(gòu)能夠分擔(dān)傳遞過來的荷載，保證建筑不被建議不破壞，這種方法目前應(yīng)用較為廣泛。

3 抗震設(shè)計方法

3.1 靜力理論

這一理論不考慮地震的動力特性與結(jié)構(gòu)的動力性質(zhì)，把建筑看作是一個不會變形的剛性建筑，在地震時也不會發(fā)生阻尼振動，地震力的作用點為建筑的中心。這是一種簡化的設(shè)計方法。

3.2 反應(yīng)譜理論

在地震時，建筑物的反應(yīng)速度會比地面的運動加速度更大，因此反應(yīng)譜理論計算出了建筑的地震反應(yīng)，建立了建筑的速度、加速度、位移反應(yīng)譜，接著再計算出建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，進(jìn)而將立柱、墻體等構(gòu)建的承載力設(shè)計出來。

3.3 動力時程理論

該理論將地震看作是一個時間段，在這一時間段內(nèi)挑選一個最具代表性的加速度當(dāng)作地震動輸入，將建筑看作是自由度體系，建立一個結(jié)構(gòu)回復(fù)模型，然后對動力方程進(jìn)行積分計算，從而可以計算出建筑物在地震發(fā)生時每一刻的反應(yīng)。這種方法比較復(fù)雜，計算量很大，并且在很多數(shù)據(jù)選取方面存在不足。

3.4 基于性能的抗震設(shè)計理論

如今通用的“大震不倒”的建筑原則是為了保護(hù)人們的生命安全，但是一旦地震發(fā)生以及災(zāi)后重建，經(jīng)濟(jì)的損失是在所難免的。因此在以后的設(shè)計中，不僅要保護(hù)人們的生命安全，還應(yīng)該盡量減少地震所帶來的經(jīng)濟(jì)損失，也就是基于性能的抗震設(shè)計。

設(shè)計者與業(yè)主可以根據(jù)自身的需求制定性能目標(biāo)，在設(shè)計時對這些目標(biāo)繼續(xù)寧分析與論證，在此基礎(chǔ)上對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的創(chuàng)新，例如采用新的結(jié)構(gòu)體系、新材料等，非常靈活多變，能夠根據(jù)不同的抗震要求采用不同的設(shè)計措施。如今，美國、日本等國家已經(jīng)相繼展開了對此理論的研究，也出臺了相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，當(dāng)前的研究工作主要內(nèi)容是：性能水準(zhǔn)的確定與統(tǒng)一，如今的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水準(zhǔn)有三個級別分別是：生命安全，確保建筑在遇到地震等情況時不倒塌;結(jié)構(gòu)損傷，建筑在遇到地震后收到的損傷要保證能夠修復(fù);確保使用，建筑在遇到地震后不會發(fā)生影響繼續(xù)使用的破壞或變形。而基于性能的抗震設(shè)計還需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化準(zhǔn)則。地震設(shè)防水準(zhǔn)的確定于統(tǒng)一，如今的地震設(shè)防水準(zhǔn)也分為三級，分別是最高設(shè)防水準(zhǔn);可遭受一次地震的水準(zhǔn)與可遭受多次地震的水準(zhǔn)，而基于性能的抗震設(shè)計同樣還需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化?？尚械慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方法，在細(xì)化多級水準(zhǔn)后，還需要制定出與之相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方法完善安全評估方法，基于性能的抗震設(shè)計的安全評估需要將靜力推覆分析法與抗震能力分析法相結(jié)合。

4 結(jié)語

總而言之，架構(gòu)抗倒塌問題是如今世界面臨的共同問題，也是人們倍加關(guān)注的熱門問題，本文結(jié)合了國內(nèi)外今年發(fā)生的地震或爆炸，分析了建筑抗倒塌的設(shè)計原則與設(shè)計方法，希望相關(guān)研究人員能夠繼續(xù)努力，持續(xù)關(guān)注此問題，為我國的建筑事業(yè)獻(xiàn)計獻(xiàn)策。

參考文獻(xiàn)：

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