浅谈钢筋混凝土框架梁抗倒塌性能

近年来, 由于各种突发原因而造成的建筑物连续倒塌事件屡屡发生。这些事件的共同特点是由于建筑物的局部结构或构件遭到破坏而引起整个建筑发生连续性倒塌。我国绝大多数公共建筑都是钢筋混凝土框架结构, 开展有关提高此类建筑的安全性和防止其在突发事件时发生连续倒塌的科学研究具有重要意义。

本文将分析利用钢筋混凝土框架梁中的拱作用和索作用, 在钢筋混凝土框架建筑突然失去某一个柱的瞬间, 其上部的框架梁能够及时地抓住由结构上部传递下来的荷载, 使梁得以实现更充分的内力重分布, 并迅速地形成新的有效的传力路径, 从而将倒塌破坏限制在允许的范围内以达到避免整个建筑发生连续倒塌的目的。同时, 本文提出通过采取适当的技术措施, 可以有效地增强钢筋混凝土框架梁中的拱作用和索作用, 以实现钢筋混凝土框架梁抗倒塌的目的。

1 钢筋混凝土框架梁中的拱作用和索作用

1.1 拱作用 (压膜作用)

由于纵向约束的存在, 在钢筋混凝土框架梁或连续梁板等受弯构件中潜在着一定的内部强度, 称之为拱作用 (或称为压膜作用) , 如图1所示。这种拱作用对构件的结构性能的影响主要有以下几个方面。

1.2 索作用 (拉膜作用)

根据Park的膜效应5理论, 对于存在纵向约束的钢筋混凝土板带在荷载作用下将产生压膜作用和拉膜作用。在压膜作用下, 构件达到其极限荷载B点。随着挠度的增大, 由于压膜作用力的降低, 板承担的荷载急剧减小。当接近C点时, 板中的膜作用力由压变为拉。对具有刚性边缘的板来说, 发现C点大约出现于板的中心区挠度等于板厚的情况下。也就是说, 在挠度较大时, 板有向内移动的趋势, 而如板边受到侧向约束, 则就会产生受拉作用力, 板就能通过钢筋的悬索作用而承担很大的荷载。C点以后, 板中心区域混凝土开裂并贯穿板厚, 板继续承担更大的荷载直到在D点处钢筋开始断裂或者体系中某一其它部件遭到破坏为止。D点的荷载远远超过B点处的极限荷载。

因此, 类似于板中的拉膜作用, 在钢筋混凝土梁中存在着索的作用, 这种索作用同样能够提高构件的受弯承载力。

2 钢筋混凝土框架梁抗倒塌能力的分析

2.1 钢筋混凝土框架梁的倒塌破坏机理分析

从传统意义上讲, 构件的破坏指构件达到其极限承载力或挠度、裂缝超过了规范规定的限值。而这里所说的破坏, 指的是在构件发生倒塌之前允许构件的承载力达到或超过理论计算得到的数值, 允许构件在倒塌前有较大的变形。对于连续的框架梁, 当只有一个临界截面达到极限弯矩时, 一般不会破坏。在该截面, 会形成一个塑性较, 它允许截面有很大的转动, 而弯矩基本保持常量, 这样就将荷载转移到该跨还没有达到极限承载力的其他截面上去, 而其他截面具有承受超载的能力因为这些截面配筋所用的弯矩是不同的荷载分布在这些截面上产生的最大弯矩。当荷载继续增加时, 在跨内其他截面也会陆续形成塑性较, 在发生很大的弯矩重分布以后, 结构才会发生最终倒塌。

2.2 拱作用对钢筋混凝土框架梁抗倒塌能力的影响

如上所述, 考虑拱作用时钢筋混凝土框架梁的受弯承载力和抗剪承载力均有大幅度的提高, 那么当钢筋混凝土框架建筑突然失去某个竖向柱时, 其上面的框架梁相应地由单跨变为两跨, 此时跨中 (原为支座) 处由承受负弯矩转为承受正弯矩, 那么按照原有设计显然不满足要求, 梁将发生受弯破坏和剪切破坏。而如果考虑拱作用 (抗弯承载力提高2至3倍, 抗剪承载力提高50%) , 梁极有可能在较短的时间内, 抵抗住上部突然增加的荷载, 使梁得以迅速地形成内力重分布完成传力路径的改变, 使上部荷载传递到两边的框架柱中去, 从而有效地避免连续倒塌的发生或将倒塌范围限制在可允许的范围内。上述过程的完成需要采取一定的措施保证梁有足够的抗剪能力, 以免梁发生脆性的剪切破坏, 因为拱作用对梁的抗剪强度的提高值不大 (只有50%) 。

2.3 索作用对钢筋混凝土框架梁抗倒塌能力的影响。

假如钢筋混凝土框架梁通过拱作用不能经过较大的变形和充分的内力重分布而完成上部荷载传力路径的改变, 那么通过采取一定的措施, 梁在大变形的情况下可以形成索的作用。由上述分析, 在索作用下梁将能够承受比拱作用下更大的极限荷载, 这样也可以实现上部荷载传力路径的改变, 达到钢筋混凝土框架梁抗倒塌的目的。梁发生索作用时, 其混凝土已经溃败上部荷载基本由钢筋来承担并传递给两边的结点, 虽然构件不能再使用, 但是通过索的作用能够完成传力路径的改变而最终达到抗倒塌的目的是很有意义的, 这与抗震规范[2]中“大震不倒”的思想是一致的。

3 结语

利用钢筋混凝土框架梁中的拱作用和索作用, 使梁在Ⅰ、拱作用Ⅱ、索作用Ⅲ、先拱作用→后索作用三种模式下及时地实现上部荷载传力路径的改变, 达到钢筋混凝土框架梁抗倒塌的目的。

摘要：本文基于钢筋混凝土连续梁板中的拱作用和索作用, 说明钢筋混凝土框架梁有比按正常设计时更高的抗弯承载力和抗剪承载力, 使得钢筋混凝土框架梁具有潜在的超载能力。同时, 这种超载能力也使钢筋混凝土框架梁得以实现更充分的内力重分布, 从而形成新的有效的传力路径, 最终实现钢筋混凝土框架梁抗倒塌的目的。

关键词：钢筋混凝土框架梁,拱作用,索作用,倒塌,内力重分布

参考文献

[1] 混凝土结构设计规范, GB50010-2002.中国建筑工业出版社, 2001.

[2] 建筑抗震设计规范, GB50011-2001.中国建筑工业出版社, 2001.

[3] M.K.Ruddle, G.I.B.Rankin, A.E.Long, Arching Action-Flexural and Shear Strength Enhancements in Rect-angular and Tee beams, Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Struc-tures and buildings, 2003, 156, 63～74.

[4] Lesile K.Guice and Edward J.Rhomberg“, Membrane Action in Par-tially Restrained Slabs”, ACI STRUC-TURAL JOURNAL, Title no.85～S34.

[5] Park, R., and Gamble, W.L., Rein-forced Concrete Slabs, John Wiley and Sons, 1980, pp.562～565.