由土耳其地震反思关于建筑结构设计中抗连续倒塌设计研究

由土耳其地震反思关于建筑结构设计中抗连续倒塌设计研究

谷向春

深圳市粤鹏建设有限公司   广东深圳 518000

摘要：据新华社安卡拉2月6日电，土耳其南部地区6日发生7.8级地震。该次地震在造成巨大人员伤亡的同时，也给当地的房屋造成了极大的破坏。此次地震给予我国建筑施工质量方面以重要启示：做好建筑结构设计中抗连续倒塌设计刻不容缓。本文以土耳其地震为例，对国内外抗连续倒塌设计的相关研究做了简要分析，并提出一些抗连续倒塌设计的具体思路和方法，以期为我国建筑安全事业做出一份贡献。

关键词：地震反思；建筑结构设计；抗连续倒塌设计；研究思路

居住环境中的各种建筑物都会受到台风、地震、海啸、爆炸、车辆撞击、火灾、甚至恐怖主义袭击等多种外在因素的安全威胁。这些因素往往会引起建筑物的局部损坏，使整个建筑物的大多数或全部的结构逐渐崩塌，这便是所谓的连续倒塌。连续倒塌可以被视为由于局部的破坏而导致的一系列的损坏，而连续的坍塌常常会带来巨大的经济损失，增加用户安全隐患。

1.土耳其地震概述

1.1地震情况

2022年2月6日18时24分(格林威治时间)在土耳其（北纬38.00度，东经37.15度）发生7.8级地震。震源深度20km，随之又发生了多次较大余震。这次地震灾害波及土耳其67个省中的24个省，人员伤亡主要集中在卡赫拉曼马拉什、埃尔祖鲁姆和宾洛尔等省，人口比较密集的卡赫拉曼马拉什省损失最为严重。

1.2灾情

截至当月14日，据官方估计死亡35,418人，另有105,505人受伤，受灾人口达7万人，直接经济损失9.6亿美元。这次地震受灾最重的是卡赫拉曼马拉什，该省内各市平均大约有3,600栋35层的建筑倒塌，其中包括医院、学校和办公大楼。整个震区有2万余幢建筑受损，60余栋带地下室的钢筋混凝土建筑发生结构性破坏。

2.抗连续倒塌理论发展

随着建筑结构坍塌事件的频发，国内外学者对建筑抗连续倒塌的研究已经进入了一个新的高峰，相关规范也在不断出台。

欧洲标准Eurocodell主要从意外载荷的角度出发，在规范中提出了事故发生概率、意外载荷对结构的影响和构件的局部强度控制。通过避免意外荷载的产生，在发生事故后减小对建筑物的影响，以及增强建筑物的局部强度等多种方法提高结构的抗坍塌性能。在这次土耳其地震中，该标准有效地减少了房屋的倒塌量[1]。

日本由于处于环太平洋地震带，对抗连续倒塌工作始终十分重视，《高冗余度钢结构倒塌控制设计指南》由日本钢结构学会（JSSC）和日本钢铁联盟（JISF）于2005年联合出版，共分“设计”与“研究”两章，分别对钢结构冗余进行量化，并给出了改进措施。提出了对建筑物进行评价与设计的主要方法有：轴压比法、简易法和细部法。

国内的抗连续坍塌规范的制订相对滞后，但自21世纪初期，结合《工程结构可靠度设计统一标准》、《建筑结构抗震设计规范》中提及的抗连续坍塌的相关策略，提出了抗连续坍塌的设计目标及有关的概念设计准则。

3.抗连续倒塌设计的研究思路和方法

近20年来，国内外对RC结构抗倒塌机理及其演变、倒塌动力效应及其预测模型、抗力提升技术、抗倒塌能力评价指标等进行了研究。在此基础上，我们还发现了许多需要进一步研究的深层问题：

3.1动力倒塌失效规律研究

连续坍塌是结构的非线性动力行为，动态荷载对结构的破坏机制、动力效应等都对其有重要的作用。在工程设计中，构件的抗剪强度和动力释放系数的计算方法都与以上两个重要的科学问题密切相关。尽管有许多关于动态破坏的实验和动态影响的理论，但与标准的设计方法相比仍有很大差距。相关实验中一般存在如下问题：

目前已有的静态和动态对比试验很少；在有限的比较试验中，不同批次的试样在材料性能上存在显著的差别；静、动力试验的载荷与限制边界不能完全一致；动态试验一次只能检测一个特性点，需要进行一系列的试验，以确定在各种变形（延性）条件下的动态破坏特性。目前，国内外尚无严格的动态、静态对比实验，还没有建立起能够满足工程设计要求的动态放大系数的理论依据，上述问题都是未来抗连续倒塌设计的研究方向[2]。

3.2不同类型结构的连续倒塌研究

不同结构形式的结构都存在着连续坍塌问题，目前的研究多集中于应用较为广泛、问题较为简单的框架结构，有些是关于板柱结构和组装框架结构的，但对于结构比较复杂的结构，如支撑框架结构、框剪结构、剪力墙结构、混凝土组合结构等方面的研究比较少。这种结构形式在大规模的公共建筑中得到了越来越多的应用，其持续坍塌的危险和严重的后果也日益凸显，急需对其进行深入研究。

3.3整体结构系统连续倒塌规律研究

连续坍塌是结构体系内部的破坏，局部构件、节点、子结构的受力性能，对结构体系的规律性有很大的影响（具体结构如下图1所示），但也有其独特之处（如横向和纵向上的连续垮塌作用），需要特别研究。当前的研究主要集中于子结构层面的实验机制，而对于总体结构体系的规律，尤其是对于整个体系的工程设计方法，尚缺乏深入研究。

     图1不同结构的连续倒塌模型             图2 典型拉结种类示意图 

3.4灾害相关的连续倒塌机理研究

连续坍塌是由于极端的灾害载荷引起的。现行抗连续坍塌准则将初期地震反应看作是局部的，对整个结构体系的影响是有限的，而对连续坍塌的抗震性则是整体的，因此，采用解柱方法可以有效地检测和设计整个体系的抗震性能。当灾害作用的规模达到一定范围时，就不再是连续坍塌的范畴，例如地震作用、大规模火灾、爆破等，因此，在不同的抗震设计中都要考虑相应的问题。该设计理念具有一定的合理性，可以帮助工程人员以最小的成本，尽量提高整个结构的稳定性。

局部结构也会受到地震的破坏，由于地震的震级及横纵波结构不同，局部结构的破坏机制也不尽相同，而它们都会对整个结构体系的持续破坏产生一定的影响。在灾害比较明显的情况下，考虑到地震作用对结构的影响，可以更好地了解和设计建筑物的抗震性能。

3.5面向多灾害防御的抗连续倒塌体系研究

连续坍塌是由于结构构件的破坏而产生的重力不平衡载荷的分配，所以在结构分析和设计中，设计人员需要重点考虑梁-楼板结构的作用。但如果对水平体系进行加固，则会产生诸如强梁弱柱等不利的应力作用，从而使结构体系的抗震和其它结构的抗灾力学性能降低。

现有的研究表明，抗连续坍塌与地震作用的设计方案之间存在着一定的约束关系，而采用这两种设计体系来加固传统的水平和垂直结构，其抗连续坍塌与抗震性能难以兼顾，而且还难以避免不利的受力方式。因此，应针对多个灾害的防灾减灾系统的开发，充分发挥其在连续坍塌和地震作用下的受力模式、变形和抗力要求，满足多个防灾机制下的防灾目的。

3.6面向工程的抗连续倒塌设计方法研究

由于连续坍塌所具有的大动力变形和整体结构系统的特性，使得现有结构抗连续坍塌的理论和方法尚不完善。

一方面，标准设计方法建立在经验或理想模式基础上，对其方法的正确性进行了质疑，例如：拉结强度的基本公式没有考虑到空间和动态的影响，而动态放大系数则是建立在有限条件下的模拟结果上，缺乏理论基础，也不适用于工程实践（具体拉结种类如上图2所示）。

而在总体上，研究的成果仍然不足，关键的基础资料仍有结构性缺失。比如，目前已有大量的现浇式框架试验，但主要集中于单一梁柱结构的小型缩尺试件的静力实验，对空间效应、不等跨、动力效应、大尺寸构件及节点力学性能等方面的影响尚不清楚，而现有的资料也不能充分验证和支持压拱、压膜等力学模型。针对以上问题，虽然已有部分学者给出了较好的解决办法，但仍存在理论性过强、计算繁琐等缺陷，与实际工程应用仍有一定差距[3]。

3.7高效连续倒塌数值分析模型研究

在研究中，相关人员需要通过建立高效的连续坍塌数值分析模型，对结构体系的规则和工程设计方法进行大量的参数分析。现有的数值模型大多侧重于对局部结构失效机制的精细建模，还缺乏一种适用于系统分析的通用模型，例如考虑了火灾、爆炸等灾害影响的大变形热-力耦合构件和材料高性能本构，考虑了大变形时钢筋粘结滑移失效、钢筋断裂、混凝土软化/断裂等问题的相关模型。

结束语：综上所述，正如前面所提到的，在土耳其地震中，许多建筑物出现了连续水平坍塌，而水平连续坍塌则会使结构的损伤范围进一步扩大，从而导致更多的生命和财产损失，这给了我国建筑企业许多启示。而现有的连续坍塌研究主要集中在垂直坍塌的分析上，很少有关于横向连续坍塌的研究，而大部分的房屋倒塌都是与横向坍塌和扩散同时发生的，所以有必要对其进行横向连续坍塌机制的研究。

参考文献：

[1]钱凯,李易.混凝土结构抗连续倒塌研究综述[J].建筑科学与工程学报,2022,39(03):1-28.

[2]黄华,刘笑笑,黄敏,郭梦雪.工程结构连续倒塌破坏及性能提升技术研究现状[J].建筑科学与工程学报,2022,39(03):29-44.

[3]裴强,郭航,丁彧.国内外抗连续倒塌设计规范研究及对比[J].地震研究,2022,45(01):26-35.