黃 華，黃 敏，郭潔娜，郭夢雪

(長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引 言

結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌是指偶然荷載(如爆炸、沖擊、火災(zāi)、地震等)作用下，由最初的局部破壞引起構(gòu)件失效不斷擴(kuò)展而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌或與初始局部破壞不成比例地大范圍倒塌[1]，其破壞特點(diǎn)表現(xiàn)為不確定性、非線性、滯后性、連續(xù)性和不成比例性[2]。迄今為止，國內(nèi)外對連續(xù)倒塌問題的研究經(jīng)歷了3個(gè)高峰。自1968年英國倫敦Roman Point公寓因煤氣爆炸發(fā)生局部倒塌后，工程界開始了連續(xù)倒塌問題的研究。1995年美國俄克拉荷馬州Alfred P.Murrah聯(lián)邦大樓因恐怖分子汽車炸彈襲擊發(fā)生倒塌破壞事故后，建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌問題再次引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。2001年紐約世貿(mào)中心雙子大樓遭恐怖襲擊倒塌，造成了2 996人遇難，并對全球造成1萬億美元的損失，此次事件也將連續(xù)倒塌問題的研究推向高潮[3]。2001年石家莊特大連環(huán)爆炸案、2003年衡陽大廈特大火災(zāi)倒塌事件，以及近年來廣州、深圳、溫州、沈陽等城市多起在役房屋坍塌事件同樣也說明中國現(xiàn)役建筑在抗連續(xù)倒塌能力方面存在不足，且連續(xù)倒塌事故一旦發(fā)生，將帶來大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因而如何避免連續(xù)倒塌已成為21世紀(jì)以來土木工程學(xué)科研究的最大熱點(diǎn)之一。

Starossek[4]將連續(xù)倒塌劃分為6種:薄餅型倒塌、拉鏈型倒塌、多米諾型倒塌、截面型倒塌、失穩(wěn)型倒塌和混合型倒塌。GSA 2003[5]，DOD 2010[6]，EN 1991-1-7：2006[7]等規(guī)范給出的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法包括概念設(shè)計(jì)法、拆除構(gòu)件法、拉結(jié)強(qiáng)度法和關(guān)鍵構(gòu)件法等。采用拆除構(gòu)件法時(shí)，可以采用線性靜力、線性動力、非線性靜力和非線性動力分析方法對剩余結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的影響因素眾多，倒塌機(jī)制相對復(fù)雜，目前研究者基于各自的研究對象進(jìn)行了較為深入全面的研究，但結(jié)論并不統(tǒng)一?，F(xiàn)有關(guān)于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的研究大都以框架結(jié)構(gòu)為例，且平面框架、不帶板框架居多，與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在顯著差異。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，綜述了樓板、柱失效位置和柱距、節(jié)點(diǎn)、填充墻以及抗震設(shè)計(jì)等因素對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力影響的研究，并論述了連續(xù)倒塌的破壞機(jī)制，對現(xiàn)有研究中存在的問題進(jìn)行了總結(jié)。

1 連續(xù)倒塌影響因素分析

1.1 樓板對框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的影響

現(xiàn)有研究認(rèn)為：結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析中不考慮樓板對抗連續(xù)倒塌作用的設(shè)計(jì)是偏于保守的[8-11]。對于樓板提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的作用，由于不同學(xué)者所用的研究方法、模型、柱失效位置等因素的不同，得出的結(jié)果也不同，具體見表1。由表1可見，通過對有無樓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)樓板不僅能提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力，且幅值都在24%以上，甚至達(dá)到200%。因此在抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略樓板的影響。王惠賓等[12]將板等效為有效翼緣，在梁的受力鋼筋中計(jì)入翼緣寬度范圍內(nèi)的樓板鋼筋，以考慮樓板的影響，分析模型見圖1，同時(shí)假定：①梁各截面為雙直線型的彎矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系，如圖2所示，其中，Mp為塑性鉸彎矩，θy為剛形成塑性鉸時(shí)的轉(zhuǎn)角，θu為塑性鉸極限轉(zhuǎn)角；②全部梁端彎矩同時(shí)達(dá)到塑性鉸彎矩，并同時(shí)失去承載能力?？紤]板效應(yīng)時(shí)，梁機(jī)制的抗力極值Rdmax為

(1)

式中：MTiP為梁3BC兩端形成塑性鉸時(shí)的彎矩；MLiP為梁C23(C34)兩端形成塑性鉸時(shí)的彎矩；L為梁計(jì)算跨度。

懸鏈線機(jī)制的抗力Rc為

Rc=2TLsin(θ)

(2)

式中：TL為梁C23(C34)懸鏈線拉力；θ為梁的梁端轉(zhuǎn)角。

同樣計(jì)入翼緣寬度范圍內(nèi)的樓板貫通鋼筋，以考慮樓板的共同工作效應(yīng)，復(fù)合機(jī)制的抗力Rbc為

Rbc=Rdmax+Rc

(3)

樓板作為框架結(jié)構(gòu)不可或缺的一部分，它不僅可以增加結(jié)構(gòu)的冗余度，使框架柱失效后的不平衡內(nèi)力通過板的拉結(jié)重新分布，還可以增加結(jié)構(gòu)的剛度和整體性，從而提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力。研究發(fā)現(xiàn)：增加樓板配筋率可以提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力[19-21],而增加板厚對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響不同學(xué)者得出不同的結(jié)論。齊宏拓等[19]通過對鋼筋混凝土板進(jìn)行連續(xù)倒塌的碰撞仿真分析發(fā)現(xiàn)，增加板厚能提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)破壞能力，且增大板厚比提高配筋率對增大抗連續(xù)破壞能力的作用更明顯。Lu等[20]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，板的存在會使框架的抗倒塌能力提高98%～146%，且框架抗倒塌能力會隨板厚及板配筋的增加而提高。何沙沙[21]利用有限元軟件對柱失效后不同板厚和配筋率下失效點(diǎn)豎向位移峰值以及關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)在配筋率不變時(shí)，增加板厚，失效點(diǎn)的豎向位移基本不變甚至增加，同時(shí)柱的軸力也會增加，因此認(rèn)為僅增加樓板厚度，框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力并不會有所提高。另有研究發(fā)現(xiàn)，板厚對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的影響與配筋率有關(guān)，當(dāng)配筋率較大時(shí)，增加板厚對結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力有益，然而當(dāng)配筋率小于一定值后，增加板厚卻提高了結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的可能性[22]。

表1 板對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的貢獻(xiàn)Tab.1 Contribution of Slab to Anti-progressive Collapse of Structures

根據(jù)以上研究分析可知，板配筋率的增加對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力有益，但是板支座的拉結(jié)能力和混凝土的抗拉強(qiáng)度有限，盲目增加配筋可能導(dǎo)致板發(fā)生超筋破壞。尋找一個(gè)合適的抗連續(xù)倒塌配筋率是今后的研究方向。板厚的增加在提高結(jié)構(gòu)剛度的同時(shí)也會增加結(jié)構(gòu)的自重，剛度對結(jié)構(gòu)是有利的，而自重會增加結(jié)構(gòu)所受荷載，增大向下運(yùn)動的慣性和沖擊力，對結(jié)構(gòu)是不利的。因此增加板厚對結(jié)構(gòu)有利和不利哪個(gè)占主導(dǎo)，在什么范圍內(nèi)占主導(dǎo)，還有待進(jìn)一步研究，并且倒塌設(shè)計(jì)時(shí)如何有效計(jì)算樓板提供的抗力，當(dāng)前的研究顯得并不充分。

1.2 柱失效位置和柱距對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的影響

建筑物在遭受偶然荷載作用時(shí)，不同構(gòu)件失效對剩余結(jié)構(gòu)倒塌能力的影響不同，因此有必要研究不同部位構(gòu)件失效對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的影響。根據(jù)GSA和DOD準(zhǔn)則，框架結(jié)構(gòu)中角柱、邊柱和內(nèi)柱為關(guān)鍵構(gòu)件。已有柱失效位置對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌性能影響的研究結(jié)果大致可以分為2類：一是通過對相同層、相同跨度的框架在拆除角柱、邊柱和內(nèi)柱后的連續(xù)倒塌性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)柱發(fā)生破壞時(shí)，抗連續(xù)倒塌能力最弱，其次是邊柱，拆除角柱對結(jié)構(gòu)的影響最小，即剩余結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力從小到大依次為內(nèi)柱、邊柱、角柱[23-24]；二是通過對相同層、不同跨度的框架在拆除角柱、邊柱和內(nèi)柱后的連續(xù)倒塌性能進(jìn)行研究。盧磊[25]以單榀柱距依次為5.4,3,5.4 m的4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對象，采用有限元軟件SAP2000對結(jié)構(gòu)在角柱、長邊中柱、短邊中柱和內(nèi)柱失效后的抗連續(xù)倒塌能力進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)剩余結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力從小到大依次為長邊中柱、角柱、內(nèi)柱、短邊中柱。楊雪蕾[26]以單榀柱距依次為6,2.5,6 m的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究背景，采用SAP2000對不同部位柱失效后結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力進(jìn)行非線性靜力分析，得出拆除柱后，剩余結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌能力從小到大依次為長邊中柱、內(nèi)柱、角柱、短邊中柱。何沙沙[21]采用ABAQUS有限元軟件，以單榀柱距為6,2.7,6 m的3層框架結(jié)構(gòu)為研究對象，對比分析了不同部位的柱失效后剩余結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力。發(fā)現(xiàn)剩余結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力依次為角柱、邊柱、內(nèi)柱。由以上分析可知，不同跨度時(shí)，拆除不同部位的柱，得到剩余結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的結(jié)論不同。因此跨度是影響結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的一個(gè)非常重要的因素。

拆除關(guān)鍵構(gòu)件后，關(guān)鍵構(gòu)件周邊的梁、板跨度變大，且原來由柱承擔(dān)的豎向荷載通過梁和板進(jìn)行內(nèi)力重分布，使得作用在結(jié)構(gòu)上的豎向荷載增大，結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力降低，且隨著跨度的加大，承載力降低很快[27]。因此不考慮跨度對結(jié)構(gòu)的影響，分析結(jié)構(gòu)在拆除關(guān)鍵構(gòu)件后的連續(xù)倒塌能力會得出不同的結(jié)論，且以上研究以有限元數(shù)值分析為主，絕大部分未考慮樓板的影響。為使研究結(jié)果與工程實(shí)際相符，建議在試驗(yàn)測試基礎(chǔ)上開展不同部位柱失效后的抗連續(xù)倒塌性能研究，同時(shí)考慮板存在時(shí)的影響研究。

1.3 節(jié)點(diǎn)對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的影響

節(jié)點(diǎn)作為梁板柱的交接點(diǎn)，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力區(qū)域，節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌中的作用目前已引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。杜修力等[28-31]研究了鋼框架結(jié)構(gòu)不同梁柱節(jié)點(diǎn)形式對其抗連續(xù)倒塌能力的影響，提出節(jié)點(diǎn)加固的方法，以改善結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能。Main等[32-35]通過研究發(fā)現(xiàn)鋼框架中增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)承載力能充分提高結(jié)構(gòu)整體抗連續(xù)倒塌性能。Yang等[36]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在鋼梁柱的連接中，采用鋼節(jié)點(diǎn)的連接方式可以提高框架的抗倒塌能力。當(dāng)前研究主要集中于鋼框架中節(jié)點(diǎn)對抗連續(xù)倒塌性能的影響，而對混凝土框架結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)對抗連續(xù)倒塌性能影響的研究甚少，且在RC結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌分析中，大多數(shù)研究者將節(jié)點(diǎn)處理成剛節(jié)點(diǎn)，忽略其在連續(xù)倒塌中的作用。司應(yīng)石[37]對比分析了不同節(jié)點(diǎn)剛度對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的影響，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)剛度大的模型抗連續(xù)倒塌能力也大，且在靜力分析中，節(jié)點(diǎn)剛度大的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力強(qiáng)，而在動力分析中，節(jié)點(diǎn)剛度對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的影響不明顯。Kang等[38]通過對四榀預(yù)制混凝土框架進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)處采用不同的鋼筋連接方式會對框架的抗倒塌能力產(chǎn)生一定的影響；節(jié)點(diǎn)處鋼筋采用貫通搭接的連接方式會提供更高的抗連續(xù)倒塌能力。李爽等[39]對比分析了考慮節(jié)點(diǎn)和不考慮節(jié)點(diǎn)對RC框架連續(xù)倒塌能力的影響，發(fā)現(xiàn)考慮節(jié)點(diǎn)影響比不考慮節(jié)點(diǎn)影響時(shí)結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌承載力下降23%。實(shí)際工程中不考慮節(jié)點(diǎn)影響的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)會高估結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力，從而使結(jié)構(gòu)偏于不安全。如何在工程設(shè)計(jì)中考慮節(jié)點(diǎn)的影響還需要進(jìn)一步的研究。

1.4 填充墻對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的影響

填充墻雖為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，但一定程度上仍會與框架共同作用而抵抗部分荷載，因此在連續(xù)倒塌分析中有必要考慮填充墻的影響。李寰等[40-41]利用有限元軟件對純框架結(jié)構(gòu)和填充墻框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，認(rèn)為填充墻的存在提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力。Kaushik等[42]通過研究發(fā)現(xiàn)，填充墻可以提高結(jié)構(gòu)的初始剛度，替代結(jié)構(gòu)承受大部分的側(cè)向地震荷載。Qian等[43]通過試驗(yàn)研究了填充墻對框架抗倒塌能力的影響，結(jié)果表明，填充墻不僅可以提高框架的承載力和剛度，改變框架的破壞模式，還可以提高節(jié)點(diǎn)的抗剪能力和梁縱筋的抗拉能力。Sasani等[44-46]以一帶有填充墻的6層RC框架結(jié)構(gòu)為研究對象，對其關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行爆破拆除試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，填充墻可以限制梁的變形，從而提高其連續(xù)倒塌能力。這是因?yàn)樘畛鋲υ谑艿搅簜鱽淼膲毫图袅Φ耐瑫r(shí)，還會受到柱的擠壓作用，在框架與填充墻之間產(chǎn)生相互協(xié)調(diào)耦合作用[47]。由此看來，填充墻不僅可以增加結(jié)構(gòu)的冗余度，傳遞水平和豎向荷載，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布更加均勻，還可以承擔(dān)部分水平和豎向荷載，從而提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力。吳春[48]從定量的角度分析了填充墻對混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的影響，發(fā)現(xiàn)純框架結(jié)構(gòu)的魯棒性指標(biāo)比填充墻的魯棒性指標(biāo)低20%～50%。單思鏑等[49-50]通過研究發(fā)現(xiàn)，填充墻開洞率越大的結(jié)構(gòu)，其抗連續(xù)倒塌能力越弱。Tsai等[51]通過對某10層RC框架抗連續(xù)倒塌能力的研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的開洞填充墻對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的影響不同。高麗[52]還發(fā)現(xiàn)洞口大小保持不變時(shí)，洞口位置的變化會顯著影響整體結(jié)構(gòu)的受力性能：當(dāng)洞口設(shè)置在框架柱邊時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體受力性能最差，洞口設(shè)置在兩柱中間時(shí)，其受力性能會有所提高；當(dāng)洞口只與框架柱相距一小段距離時(shí)，其受力性能最佳。

以上研究說明填充墻能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力，而開洞又會使結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力減弱，實(shí)際工程中如何考慮填充墻的影響，尤其量化計(jì)算其對結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的貢獻(xiàn)等問題仍需進(jìn)一步研究。

1.5 考慮抗震設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的影響

現(xiàn)有研究認(rèn)為相對于非抗震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)而言，抗震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將具有更好的抗連續(xù)倒塌能力[53-60]。Qian等[61]以抗震和非抗震設(shè)計(jì)的單層帶板和不帶板框架為研究對象，對其在角柱失效情況下的動力效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，對于帶板和不帶板框架，抗震設(shè)計(jì)使第一峰值位移分別降低23.5%，65.4%。江曉峰等[62]指出抗震設(shè)計(jì)中提出的結(jié)構(gòu)冗余特性和延性能力等要求對提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力是有益的。Powell[63]和Osteraas[64]以及黃華等[65]認(rèn)為結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)與抗震設(shè)計(jì)二者之間存在顯著差別，抗震設(shè)計(jì)方法雖然有益于結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力，但不足以讓它取代抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)，并且Gurley[66]認(rèn)為地震同樣可以破壞承重構(gòu)件(經(jīng)常是角柱)，從而造成雙向的懸臂梁型倒塌機(jī)制，地震工程界的確需要認(rèn)識到柱破壞事件的重要性，從而考慮抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。目前關(guān)于抗震設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌影響的研究還不成熟，抗震結(jié)構(gòu)如何具有可靠的抗連續(xù)倒塌能力尚有待進(jìn)一步研究。

2 連續(xù)倒塌破壞機(jī)制

以上因素對結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的影響最終體現(xiàn)到結(jié)構(gòu)倒塌破壞機(jī)制上。當(dāng)前研究者就RC結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌破壞，根據(jù)其不同受力階段分別提出了梁機(jī)制(壓拱機(jī)制)、懸鏈線機(jī)制和拉壓薄膜機(jī)制。

2.1 梁機(jī)制

初明進(jìn)等[67]通過對鋼筋混凝土單向梁板子結(jié)構(gòu)縮尺試驗(yàn)，認(rèn)為在加載位移較小時(shí)，試件主要受彎，處于小變形階段，可定義為梁機(jī)制，見圖3。結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌抗力主要由截面抗彎承載力來提供，梁內(nèi)鋼筋承受由彎曲作用而引起的不斷增加的拉力，直至其達(dá)到屈服狀態(tài)，進(jìn)而形成塑性鉸，當(dāng)所有梁截面的塑性鉸完全形成時(shí)該階段結(jié)束。結(jié)構(gòu)破壞主要集中在梁柱節(jié)點(diǎn)處的塑性鉸區(qū)域，整體構(gòu)件破壞不會特別嚴(yán)重。

李易等[68]針對RC框架梁機(jī)制下的受力機(jī)理，建立了連續(xù)倒塌抗力需求的計(jì)算方法，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。初明進(jìn)等[67]認(rèn)為梁機(jī)制下的抗彎承載力主要取決于樓板截面尺寸和鋼筋配置，樓板的寬度、厚度和板內(nèi)配筋以及梁高能夠顯著增加試件在梁機(jī)制下的承載力。熊進(jìn)剛等[69]對RC空間框架的抗連續(xù)倒塌進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，縱向框架中起著抗連續(xù)倒塌作用的是梁機(jī)制和懸鏈線機(jī)制，而橫向框架只有懸鏈線機(jī)制起作用。

壓拱效應(yīng)產(chǎn)生于梁機(jī)制階段，需要兩側(cè)能提供足夠的水平約束才能產(chǎn)生[70]，這是因?yàn)樵谳S向約束下，梁端靠近邊柱的截面混凝土開裂后中性軸上移，而失效柱兩邊的截面在混凝土開裂后中性軸下移，使梁處于壓拱受力狀態(tài)，如圖4所示，其中P為失效柱頂?shù)募辛?，Me0為A截面和D截面提供的彎矩，Mm0為B截面和C截面提供的彎矩，Me為A處和D處截面的抗彎承載力，Mm為A處和D處截面的抗彎承載力，ln為單跨凈跨度，Na為軸向壓力，另外在彎矩較小的中間區(qū)域內(nèi)構(gòu)件全截面受壓。

Park等[71]通過建立RC結(jié)構(gòu)在壓拱機(jī)制下的承載力理論計(jì)算公式，證實(shí)了由于壓拱效應(yīng)的存在，即使單向板只受部分約束，其承載力仍有顯著提高。周育瀧等[70]通過建立壓拱機(jī)制下的RC框架連續(xù)倒塌抗力分析模型，得到樓蓋系統(tǒng)的連續(xù)倒塌抗力計(jì)算公式，并認(rèn)為按傳統(tǒng)的塑性理論會嚴(yán)重低估RC框架的真實(shí)倒塌抗力。Su等[72]通過雙跨梁試驗(yàn)，驗(yàn)證了軸向約束梁產(chǎn)生的壓拱效應(yīng)可以提高雙跨梁的承載能力。王英等[73]通過RC雙跨梁的靜力加載試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證軸向約束下雙跨梁產(chǎn)生的壓拱效應(yīng)和懸索效應(yīng)，認(rèn)為壓拱效應(yīng)提高了梁的豎向承載力。Kang等[74]通過對柱的剛度進(jìn)行量化和參數(shù)研究，認(rèn)為壓拱機(jī)制作用下，當(dāng)柱的高度較低、截面較小或者梁的深度較大時(shí)，柱很可能發(fā)生剪切和彎曲破壞。

目前研究者普遍認(rèn)為壓拱機(jī)制對提高結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌抗力有利，而對其不利影響的研究甚少。壓拱效應(yīng)的存在使梁的豎向承載力在鋼筋屈服后又得到了顯著提升，但對由此導(dǎo)致的柱剪切和彎曲破壞機(jī)理研究并不充分。對梁機(jī)制作用階段抗倒塌承載能力影響因素的定量分析不足，承載力計(jì)算方法不夠完善，還有待進(jìn)一步的研究。

2.2 懸鏈線機(jī)制

隨著豎向變形增加，壓拱效應(yīng)減弱，結(jié)構(gòu)進(jìn)入大變形階段，水平構(gòu)件截面喪失抗彎能力，由受壓轉(zhuǎn)為受拉，倒塌破壞進(jìn)入懸鏈線階段。初明進(jìn)等[67]認(rèn)為，在加載位移較大時(shí)構(gòu)件全截面受拉，可定義為懸鏈線機(jī)制。此時(shí)水平構(gòu)件通過軸力和較大撓度形成的力矩來抵抗外荷載所產(chǎn)生的彎矩[75]。GSA 2003[5]和DOD 2010[6]分別對梁類構(gòu)件在懸鏈線機(jī)制中的轉(zhuǎn)動能力進(jìn)行了要求。懸鏈線效應(yīng)大幅提高了梁的豎向承載力和變形能力[72-76]。由圖5可見，懸鏈線機(jī)制下結(jié)構(gòu)的倒塌抗力主要由框架梁或樓板的軸向受拉承載力來提供。

易偉建等[77]采用擬靜力試驗(yàn)方法對3層4跨的RC平面框架進(jìn)行了連續(xù)倒塌試驗(yàn)，認(rèn)為框架結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了彈性階段、塑性階段和懸索破壞3個(gè)階段，并且經(jīng)歷了受彎為主的塑性機(jī)構(gòu)到受拉為主的懸索機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換過程。Orton等[78]認(rèn)為，當(dāng)移除1根承重柱時(shí)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)可以通過懸鏈線效應(yīng)來提供足夠的連續(xù)倒塌抗力去防止結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌，并且懸索效應(yīng)需要足夠大的豎向變形來產(chǎn)生軸向拉力以抵抗豎向荷載。初明進(jìn)等[67]通過梁板子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)認(rèn)為：懸鏈線機(jī)制下的承載力主要取決于截面中的鋼筋，影響截面鋼筋數(shù)量的樓板寬度和樓板配筋率能大幅提高懸鏈線機(jī)制下的承載力。李易等[79]建立了直線型和曲線型懸鏈線機(jī)制的抗力需求關(guān)系計(jì)算公式，并給出了懸鏈線機(jī)制下抗連續(xù)倒塌承載力儲備值的常用范圍：直線型懸鏈線機(jī)制儲備值在1.46～2.01之間；曲線型懸鏈線儲備值在1.66～2.25之間。于曉輝等[80]建立了考慮懸鏈線效應(yīng)的RC框架宏單元模型，研究懸鏈線效應(yīng)對RC框架抗連續(xù)倒塌能力的影響，發(fā)現(xiàn)懸鏈線效應(yīng)可以充分發(fā)揮，并能有效提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力。Naji[81]通過極限分析法模擬懸鏈線效應(yīng)，研究表明懸鏈線效應(yīng)增加了結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力，不考慮懸鏈線效應(yīng)可能會導(dǎo)致承載力計(jì)算結(jié)果偏低。

懸鏈線機(jī)制下的承載力主要由截面鋼筋的配筋面積決定，而梁和樓板的配筋及其協(xié)同工作機(jī)理比較復(fù)雜，并且不同部位懸鏈線機(jī)制的效能發(fā)揮并不相同，目前對該問題的研究并不充分。

綜上，試件的受力全過程為：梁機(jī)制(梁底產(chǎn)生軸向壓力)→懸鏈線機(jī)制形成(梁內(nèi)產(chǎn)生拉力)→梁靠近中柱節(jié)點(diǎn)端底部鋼筋斷裂→梁遠(yuǎn)離中柱端頂部鋼筋斷裂(結(jié)構(gòu)倒塌)。壓拱機(jī)制和懸鏈線機(jī)制均減緩和抑制了結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌。壓拱機(jī)制和梁機(jī)制不是2個(gè)完全分離的階段，梁受彎達(dá)到一定階段時(shí)，壓拱效應(yīng)伴隨產(chǎn)生，并對梁的受彎承載力產(chǎn)生提高作用。從梁機(jī)制到懸鏈線機(jī)制有明顯的轉(zhuǎn)化階段，轉(zhuǎn)變的標(biāo)志通常是鋼筋從受壓逐步轉(zhuǎn)為受拉。

2.3 薄膜機(jī)制

薄膜機(jī)制主要是由框架結(jié)構(gòu)中的樓板所產(chǎn)生，是結(jié)構(gòu)重要的連續(xù)倒塌破壞機(jī)制。四周約束的雙向板受荷后，混凝土開裂，引起截面中性軸移動，同時(shí)引起板邊界在平面內(nèi)的擴(kuò)張。如果板四周向外擴(kuò)張的趨勢受到壓力約束，雙向板中將會產(chǎn)生壓薄膜效應(yīng)；當(dāng)板的撓度增大到一定值時(shí)，雙向板邊緣有向內(nèi)移動的趨勢，如果這種向內(nèi)移動的趨勢受到拉力約束，雙向板中將會產(chǎn)生拉薄膜效應(yīng)[82]。如圖6所示，AB和BC兩段為受壓薄膜階段，隨著雙向板所受荷載逐漸增加，AB段樓板會由彈性漸漸進(jìn)入彈塑性階段。B點(diǎn)處板的屈服模式形成后，雙向板承受的荷載為極限荷載。由于混凝土抗壓和抗拉性能的差異較大，隨著中心撓度增大，構(gòu)件受拉部位開裂，構(gòu)件中部截面中性軸上移，構(gòu)件端部截面中性軸下移，中性軸不在一條水平線上，因?yàn)闃?gòu)件邊緣約束的存在，在荷載作用后構(gòu)件由受彎轉(zhuǎn)換為偏心受壓，即彎矩和軸力同時(shí)作用。B點(diǎn)之后，撓度繼續(xù)增加，受壓薄膜壓力降低，板承擔(dān)的荷載迅速下降。接近C點(diǎn)時(shí)，板中心區(qū)域的薄膜壓力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔?，隨撓度繼續(xù)增大。由于板中心區(qū)域的下表面受拉開裂的同時(shí)上表面也受拉，裂縫在板的中心區(qū)域貫穿于板厚，使得板中心區(qū)域的雙向鋼筋形成鋼筋網(wǎng)受力模式并繼續(xù)承載，鋼筋屈服進(jìn)入彈塑性階段。當(dāng)撓度到達(dá)D點(diǎn)時(shí)，鋼筋開始斷裂或者板的其他部分遭到破壞。受拉薄膜力使得板在達(dá)到B點(diǎn)極限荷載時(shí)免于大區(qū)域破壞，受拉薄膜階段內(nèi)允許的大撓度使得板實(shí)際承擔(dān)的荷載超過極限荷載。

Wang[83]認(rèn)為支撐柱失效情況下，樓板在大撓度下產(chǎn)生薄膜效應(yīng)，使得承載力遠(yuǎn)大于基于小撓度破壞準(zhǔn)則時(shí)的承載力。丁陽等[29]通過2個(gè)10層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力、破壞模式和抗倒塌機(jī)制分析，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)和樓板會對結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能有較大提高，節(jié)點(diǎn)破壞后結(jié)構(gòu)豎向荷載由樓板產(chǎn)生的薄膜效應(yīng)來承擔(dān)。史奉偉等[84]建立數(shù)值模型，分析了底層邊緣內(nèi)柱失效情況下組合樓板的受力特點(diǎn)和懸鏈線階段組合樓板的薄膜效應(yīng)機(jī)理，認(rèn)為側(cè)向無約束板在大變形階段通過周圍板塊形成受壓環(huán)以支撐中心變形區(qū)域的拉力，發(fā)揮受拉薄膜效應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)拉結(jié)力。Fu等[85]討論了鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌情況，對三維復(fù)合樓蓋模型進(jìn)行靜力分析，研究荷載傳遞機(jī)理及破壞發(fā)展過程，認(rèn)為雙跨主梁的懸鏈線效應(yīng)比次梁作用發(fā)生要早，在梁中拉薄膜效應(yīng)比懸鏈線效應(yīng)作用發(fā)生早。

RC框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌過程中，組合樓板產(chǎn)生的薄膜效應(yīng)可以顯著提高失效節(jié)點(diǎn)的極限承載力，延緩塑性鉸的破壞發(fā)展，減小失效點(diǎn)位移，因此抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)中需考慮薄膜效應(yīng)的影響。當(dāng)前對基于火災(zāi)情況下組合樓板薄膜效應(yīng)的研究較多，對連續(xù)倒塌情況下組合樓板薄膜效應(yīng)的研究較少，且拉壓薄膜效應(yīng)是否會同時(shí)作用，其作用機(jī)理和承載力計(jì)算方法等需進(jìn)一步的試驗(yàn)研究來驗(yàn)證。

3 結(jié) 語

(1)柱失效對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的影響與柱所處位置和柱距有關(guān)，是影響結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌能力最重要的參數(shù)之一。

(2)樓板至少能提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力24%，在連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略板的作用，但增加板厚對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌能力的影響是否有利，尚未得出一致結(jié)論，有待進(jìn)一步的研究。雖然有些學(xué)者提出了樓板抗力的計(jì)算公式，但公式的正確性還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。

(3)現(xiàn)有關(guān)于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的研究以有限元數(shù)值模擬為主，試驗(yàn)研究較少，因結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的評判標(biāo)準(zhǔn)、所用有限元軟件等因素的不同，得出的結(jié)論并不統(tǒng)一，與實(shí)際情況有一定的差距，不能很好地用于規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的編寫，建議以后加大連續(xù)倒塌的試驗(yàn)研究。

(4)雖然節(jié)點(diǎn)、填充墻、抗震設(shè)計(jì)等因素對結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力具有一定的影響，但定量化的研究偏少，設(shè)計(jì)時(shí)如何考慮尚未形成實(shí)用的研究結(jié)果。

(5)RC結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)制根據(jù)其受力階段不同可分為梁機(jī)制(壓拱機(jī)制)、懸鏈線機(jī)制和拉壓薄膜機(jī)制。梁上先后作用梁機(jī)制(壓拱機(jī)制)和懸鏈線機(jī)制。板上先后作用壓薄膜機(jī)制和拉薄膜機(jī)制，但不同構(gòu)件作用機(jī)制之間的耦合作用和度量指標(biāo)等研究不足。

(6)限于現(xiàn)有的技術(shù)和水平，在對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的研究中，很少有學(xué)者對偶然荷載作用時(shí)所產(chǎn)生的沖擊荷載和上部構(gòu)件破壞對下部結(jié)構(gòu)的碰撞沖擊對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的影響進(jìn)行研究，這也是未來努力的一個(gè)方向。