欧洲规范EC2中对混凝土结构防连续倒塌的要求

张振坤

（凯德邦（天津）建筑设计有限公司，天津 300011）

预制装配式混凝土结构是国内建筑产业未来发展的主要方向。装配式混凝土结构是指结构构件在其他地方制作并装配到其最终位置的结构物，与现浇混凝土结构的主要区别在于结构连续性的获得方式。对现浇混凝土结构而言，结构的连续性随着施工过程自动获得；而对装配式混凝土结构而言，预制构件之间的可靠连接是保证结构连续性的必要条件。装配式混凝土结构只有在各预制构件准确连接之后才会形成稳定的结构体系,所以对装配式混凝土结构稳定及安全的考虑必须贯穿整个施工过程。由于装配式混凝土结构区别于现浇混凝土结构的连接设计和施工特点，对装配式混凝土建筑物的整体牢固性校核及防连续倒塌设计就显得更加重要。

目前国内在大力推进装配式混凝土结构的应用，但对装配式混凝土结构的防连续倒塌研究还在完善当中。欧洲国家总结装配式混凝土结构连续性倒塌的教训，依据结构试验结果、配合理论分析以及经验规则得出了采用设计结构拉杆作为替代传力途径，进而保证装配式混凝土结构整体牢固性的方法。这种方法对国内装配式混凝土结构的设计以及混凝土结构设计规范[1]中有关防连续倒塌设计条文具有借鉴及参考价值。

1 建筑物防连续倒塌的方法

建筑物在偶然事故荷载（如煤气爆炸及车辆撞击等）作用下，可能引起局部结构的破坏，为了避免建筑物由于局部破坏而引起整体性连续倒塌，需要对建筑物做整体牢固性设计。欧洲混凝土结构设计规范EC2[2]和其他国家的规范对此都有说明，主要概括为以下两种方法。

1）局部加强法，也叫关键构件法。对可能遭受偶然作用的关键竖向构件及关键传力部位进行设防，即采用偶然作用荷载对相关的竖向构件及连接进行设计，使其能够抵抗相应的偶然作用。

2）替代传力途径法。类似煤气爆炸这样的偶然作用，在正常情况下出现的概率很小，如果把所有相关的竖向构件及连接都设计成能够抵抗煤气爆炸荷载，会引起构件及连接的过度冗余而造成浪费。对这种出现概率很小的偶然作用，允许局部结构在偶然荷载作用下损坏（在相邻两层的损坏面积不超过单层楼层总面积的15%或者100 m2，二者取小值）[3]，原来由损坏局部结构承担的力会通过其他替代传力途径传给剩余结构体系，而不引起整个结构的连续性倒塌，当然这需要剩余结构体系的极限承载力能满足抵抗整个建筑物荷载的要求。

替代传力途径法中又包括两种设计方法。

（1）拆除构件法。按一定规则拆除结构的主要受力构件（不包括关键构件），验算剩余结构体系的极限承载力。

（2）拉结构件法。基于经验规则的设计方法，不是针对某些特定构件进行拆除验算，而是对结构的全部构件作拉结设计及拉杆配置。

在一个建筑物中，可以同时采用关键构件法和替代传力途径法，对不允许破坏的关键构件和连接做设防，对其他结构部分采用拆除构件法或拉结构件法设计[4]。由于拆除构件法计算复杂，对中高风险建筑物的设计不常用，而是普遍采用计算简单的拉结构件法。

文献[2]和[3]规定：对不超过15层的中高风险分组的建筑物，如果对其设计并配置了规范要求的各种拉杆，就认为结构能满足替代传力途径要求，进而保证结构的整体牢固性。

2 依照EC2的拉杆设计

2.1 结构拉结系统

如果结构构件没有设计成能够抵抗偶然事故荷载，为了避免结构在局部损坏后引起整体性连续倒塌，应有一个合适的拉结系统以提供替代的传力途径。如果拉结系统中的各种拉杆在结构物中进行合理配置，就可以避免结构发生整体性连续倒塌。见图1和图2。

图1 替代传力途径

图2 结构拉杆配置

设计结构拉结系统的基本思想是假定某一竖向承重构件失效后，原由其支撑的梁、板在大变形的情况下，由梁机制转变为悬链机制，即由原来的受弯构件转变为受拉构件，竖向荷载通过梁的悬链作用或板的薄膜作用传递到相邻的结构。如果在梁、板中配置了足够的钢筋用于抵抗由于悬链作用或薄膜作用在梁、板中产生的拉力，那么就可以避免本层梁板的坠落。见图3。

图3 悬链作用受力分析

根据图3，在均布荷载作用下，悬链在跨中的拉力及支座处的水平反力和悬链在支座处的拉力分别由式（1）和式（2）给出

对式（2）中的各参数取代表性的值L=5（m），q=5.0（kN/m2），Δ=0.2L，可得到基本拉力为67 kN/m，与EC2给出的建议值70 kN/m接近。考虑到荷载大小、跨度和拉结位置的变化，不同类型的拉结力在基本拉力的基础上作调整。

对三维的建筑物，其拉结系统中包括各种水平拉杆（周圈拉杆、内部拉杆、墙及柱的水平拉杆等）以及竖向拉杆。

设计结构拉杆的目的是提供结构物最低水平的强度、连续性及延性。设计结构拉杆是预防装配式混凝土结构整体性连续破坏最常用的方法。结构拉杆是指连续并充分锚固的受拉杆件（包括钢筋和钢绞线），它们通常布置在现浇结构层、填充带、套筒以及预制构件之间的连接处，进而形成一个三维立体的网络，见图4。

如果建筑物设置伸缩缝，那么各自独立的部分应分别设有拉结系统。欧洲混凝土规范EC2对各种结构拉杆所需要抵抗的拉力给出了建议值并且允许各国根据当地情况做出修改。以下介绍的各种拉杆应抵抗的拉力数值是依据EC2的新加坡国家附录[5]中所设定的值，亦即是原英国混凝土规范BS8100[6]中设定的值。

图4 结构拉杆

2.2 水平拉杆

每楼层及屋面层的基本拉力应取以下两项中的较小值

式中：n0为楼层总数。

式（4）是一个体现结构重要性的经验性取值方法，楼层越高，连续性倒塌引起的后果越大，所需的基本拉力越大。

水平拉杆可以进一步分为周圈拉杆，内部拉杆和柱、墙水平拉杆。

2.2.1 周圈拉杆

周圈拉杆应布置在离建筑结构外表面1.2 m宽的板内或者周圈梁或墙内。周圈拉杆的拉力设计值为

如依据基本拉力60 kN来计算，所需的周圈拉杆的钢筋面积为120 mm2(As=60×103/500),大约为一根屈服强度500 MPa的钢筋。如果结构的平面布置有内凹边，如L形或U形，那么周圈拉杆就要直接延长并锚固到另一边。见图5。

图5 周圈拉杆在有内凹边的结构平面中的布置

2.2.2 内部拉杆

每层的内部拉杆应布置在相互垂直的方向并且锚固到周圈拉杆或者柱、墙当中。内部拉杆的间距不能超过1.5Lr，Lr为在内部拉杆所考虑的方向上竖向承重构件中心之间的最大距离（见图4中的Lr）。

内部拉杆应能抵抗的拉力

式中：(gk+qk)是指永久荷载及可变荷载的平均标准值之和。

全部或部分内部拉杆可以均匀地布置在楼板中或者集中地布置在梁或墙的部位。如果把内部拉杆集中地布置在墙内，那么拉杆筋应布置在距楼板上下表面各0.5 m的高度范围内。对于没有现浇结构层的楼板系统，垂直于楼板跨长方向上的内部拉杆应布置于支承楼板的梁或墙中。

2.2.3 外圈墙、柱的水平拉杆

结构外圈的边柱和边墙应在每个结构层的水平方向上通过拉杆连接到结构本身，此拉杆的设计拉力应取以下两种计算结果中的较大值

式中：Nult,percol为单个柱或墙在考虑的楼层所承受的总竖向极限设计荷载；ls为楼面到上一层板底的距离。

对角柱来说，水平拉杆在两个垂直的方向都要布置，用做楼板周圈拉杆的钢筋可以同时作为角柱的水平拉杆筋。如果周圈拉杆布置在墙、柱位置并且内部拉杆锚固到周圈拉杆，那么就不需要布置额外的墙、柱水平拉杆；否则，柱或者墙体的每延米长度上都要通过拉杆拉结到楼板。见图6。

图6 水平拉杆布置

2.3 竖向拉杆

对5层及以上的板式建筑物，为了限制下层支承柱或墙偶然失效时对楼板破坏的范围，应在墙、柱中布置竖向拉杆。这些拉杆会成为跨越损坏区域的桥接系统的一部分。

每个承重墙、柱的竖向拉杆应从基础到屋面层连续布置。拉杆的设计拉力为墙、柱在所考虑的楼层面上所承受的单层极限设计荷载。如果结构平衡且变形能力得到验证，也可以采用依靠剩余墙体的整体作用或楼板膜张力作用的其他方法。

2.4 拉杆和其他钢筋比例

当作为拉杆的钢筋及钢绞线按其强度标准值设计，按其他目的设计的钢筋及钢绞线可以部分或全部当作拉杆。所设计的拉杆筋面积是结构需配置拉杆部位的最小钢筋面积，而不是和按结构分析所需钢筋面积相叠加。如果拉杆的连续性可以保证，那么拉杆可以部分或全部布置在预制构件中。

2.5 拉杆的连续性

拉杆的连续性可以通过钢筋搭接、钢筋焊接、钢筋套筒、预埋钢板以及螺栓连接等方法来实现；也可以通过搭接或用封闭的箍筋连接预制构件中的钢筋来获得。如果拉杆不是在一个平面内连续，设计中应考虑由于偏心而产生的弯曲效应。见图7。

图7 拉杆筋通过搭接及封闭箍筋而获得连续性

2.6 拉杆筋的锚固

内部拉杆筋要有效地锚固到周圈拉杆筋，见图8。如满足以下要求，就可认为内部拉杆筋有效地锚固到周圈拉杆筋。

图8 内部拉杆筋锚固到周圈拉杆筋

1）内部拉杆筋延伸超过所有用做周圈拉杆的钢筋后的锚固长度有12倍钢筋直径或等效值。

2）内部拉杆筋延伸超过周圈拉杆筋的中线后有一个有效锚固长度（有效锚固长度依据内部拉杆筋中的受力算得）。

对边柱中相互垂直的内部拉杆筋锚固，可采用图9的方法。需要注意的是内部拉杆筋可以是部分由边柱支承的周圈梁中的主筋。

图9 边柱中的内部拉杆筋锚固

3 结论

由于结构防连续倒塌的复杂性，如何准确分析和设计还有很多工作要做。拆除构件法可能更偏于安全，但是工作量巨大；区别于关键构件法和拆除构件法，拉结构件法不是针对明确的关键构件或主要构件，而是基于经验规则设计结构拉杆，为建筑物提供最低水平的强度、连续性及延性。拉结构件法设计流程简单，更适合工程设计应用。