建筑結(jié)構(gòu)倒塌過程模擬與防倒塌設(shè)計研究

趙彥峰

【摘要】建筑物在倒塌的過程當(dāng)中會出現(xiàn)一定的數(shù)據(jù)，施工單位為了防止建筑倒塌一般會在建筑物施工的時候就會對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行參考，本文就從離散單元法的基礎(chǔ)上出發(fā)，對建筑物結(jié)構(gòu)倒塌過程模擬以及防倒塌設(shè)計進(jìn)行綜合分析，找出當(dāng)中存在的一些問題，并且通過一些數(shù)據(jù)的對比提出解決的方案。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)倒塌；過程模擬；倒塌設(shè)計

前言

建筑結(jié)構(gòu)在使用的時候會在不經(jīng)意間受到自然載荷的作用，例如，地震、人為爆破、空氣沖擊等。當(dāng)這些載荷大于結(jié)構(gòu)的承受度的時候，結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)裂紋以及變形，最終導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)部分倒塌或者全部倒塌的情況。另外，一些建筑物因?yàn)槟承┰虿坏貌贿M(jìn)行拆除，在實(shí)施爆破之前應(yīng)該對建筑倒塌的位置進(jìn)行預(yù)測，并且做好倒塌區(qū)域的防護(hù)工作，避免出現(xiàn)建筑物拆除事故。但是從上述的情況當(dāng)中來看，僅僅計算出建筑物倒塌的區(qū)域還是不夠的，還應(yīng)該進(jìn)一步對建筑物結(jié)構(gòu)倒塌進(jìn)行研究，從而能夠得到建筑物倒塌最好的數(shù)據(jù)。本文主要分析了當(dāng)前最為主流的建筑物施工方式，并且對倒塌過程模擬以及防倒塌設(shè)計進(jìn)行了探討。

一 建筑結(jié)構(gòu)倒塌數(shù)值模擬的方法

相對于一般的彈塑性力學(xué)行為相比，建筑機(jī)構(gòu)倒塌具有非線性、連續(xù)介質(zhì)不強(qiáng)等特點(diǎn)。由于外在影響的載荷以及作用方式的不同，因此很難在短時間當(dāng)中預(yù)測出建筑物倒塌的數(shù)據(jù)，更不要提精確計算出建筑結(jié)構(gòu)倒塌的結(jié)果了。而足尺與縮尺結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)往往需要投入大量的時間與人力，因此很難連續(xù)對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。因此，數(shù)值模擬就成為了建筑結(jié)構(gòu)倒塌中最常用的研究手段。從目前的科學(xué)技術(shù)來看，有限單元法與離散單元法是數(shù)值模擬的兩大類，其研究方式都有所不同，但是研究的結(jié)果都是一樣的。

其中有限單元法主要用于建筑物結(jié)構(gòu)的彈性以及彈塑性的分析。在進(jìn)行數(shù)值計算的時候，可以采用隱式直接積分法或者是顯式的中心差分法。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)以及進(jìn)入倒塌階段的時候會產(chǎn)生“負(fù)剛度”的問題，從而導(dǎo)致剛度矩陣產(chǎn)生變化，隱式計算方式很難描述出建筑結(jié)構(gòu)倒塌具體的數(shù)據(jù)。相對于隱式算法，顯式解法就避免了“負(fù)剛度”的問題，所以說，顯式計算法更適宜計算建筑結(jié)構(gòu)倒塌這種非線性的彈塑性力學(xué)行為。但是有限單元法當(dāng)中的計算方式難以準(zhǔn)確的計算出網(wǎng)格產(chǎn)生變形后的數(shù)據(jù)，再加上外在因素的影響，網(wǎng)格當(dāng)中的實(shí)體單元格以及建筑模型的復(fù)雜程度大大上漲，使得計算步驟有所增加。

作為離散性單元法，其典型的非連續(xù)介質(zhì)就是這種單元法的優(yōu)勢所在，可以說離散單元法在預(yù)測建筑結(jié)構(gòu)的時候，無需考慮到連續(xù)位移以及結(jié)構(gòu)變形等條件，允許一定的結(jié)構(gòu)單元在網(wǎng)格當(dāng)中發(fā)生碰撞，這種包含性的性能是有限性單元法不能比擬的，因此，這種單元法當(dāng)中的計算方式適用于建筑結(jié)構(gòu)大位移與非連續(xù)變形介質(zhì)的問題。此種方法將連續(xù)性與非連續(xù)性的離散體作為網(wǎng)格當(dāng)中的剛性單元，并且保證各個單元能夠滿足牛頓的第二定律，運(yùn)用顯式的動態(tài)計算方式來設(shè)置各個剛性單元當(dāng)中的運(yùn)動方程，最終得到離散單元的運(yùn)行形態(tài)。該種方法當(dāng)中主要包括結(jié)構(gòu)散居、單元連接、運(yùn)動方程求解以及運(yùn)動體的碰撞。

二 局部爆炸作用下混凝土框架結(jié)構(gòu)倒塌過程的分析

（一）結(jié)構(gòu)部件破壞準(zhǔn)則

整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)當(dāng)中的核心結(jié)構(gòu)受到了破壞再加上之后的連鎖反應(yīng)。所以為結(jié)構(gòu)創(chuàng)建一個局部破壞的準(zhǔn)則是十分重要的。當(dāng)建筑物內(nèi)部發(fā)生爆炸的時候，會在一瞬間產(chǎn)生出巨大的沖擊力。通過對混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的結(jié)構(gòu)倒塌數(shù)據(jù)與實(shí)際結(jié)構(gòu)倒塌的數(shù)據(jù)有所差異，但是其影響不是很大。在試驗(yàn)當(dāng)中主要采用的是試驗(yàn)驗(yàn)證法，主要使用了27塊墻體以及27根石柱來進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M，其具體數(shù)據(jù)如表格1所示：

表格1：爆炸載荷作用下鋼筋混凝土的墻柱破壞的準(zhǔn)則

從圖一當(dāng)中我們可以清楚的看到，縱坐標(biāo)P*是結(jié)構(gòu)無量鋼化爆炸載荷值，橫坐標(biāo)I*為結(jié)構(gòu)無量綱化爆炸載荷度，如果爆炸點(diǎn)出現(xiàn)在兩坐標(biāo)軸的近點(diǎn)處，那么就說明該結(jié)構(gòu)會被爆炸沖擊所損害。

（二）結(jié)構(gòu)整體倒塌的過程

結(jié)構(gòu)整體當(dāng)中的核心結(jié)構(gòu)失去效能過后，會在重力以及平衡力的作用下發(fā)生倒塌。從離散單元法的基礎(chǔ)出發(fā)，可以對結(jié)構(gòu)的平面狀況進(jìn)行分析，從而制定針對性的應(yīng)對方式。

在對鋼筋混凝土框架建筑倒塌情況進(jìn)行分析的時候，可以將結(jié)構(gòu)當(dāng)中的墻柱離散成為若干個體單元，并且將法向、切向以及受彎這三個彈簧單元的數(shù)據(jù)作為對比值，用來檢驗(yàn)單元的受力點(diǎn)與受力度。從表格1 當(dāng)中我們可以看到，結(jié)構(gòu)在爆炸過后，會被從整體當(dāng)中移除，但是我們還是要考慮到建筑物的實(shí)際情況，以及剩余結(jié)構(gòu)帶來的牽動效應(yīng)。

平面分析結(jié)構(gòu)框架較為簡單，可以通過模擬計算來得出結(jié)構(gòu)倒塌的具體數(shù)據(jù)，但是不能反映出建筑物結(jié)構(gòu)倒塌過程當(dāng)中的運(yùn)動模式以及影響范圍。通過大量的試驗(yàn)表明，建筑物當(dāng)中的樓板對結(jié)構(gòu)倒塌會產(chǎn)生巨大的干擾。為了模擬建筑物樓板在倒塌過程中的運(yùn)動方式，就需要我們的技術(shù)人員開發(fā)更佳先進(jìn)的模擬方式以及分析的方法。

三 防結(jié)構(gòu)倒塌設(shè)計

（一）評述結(jié)構(gòu)的設(shè)計方式

結(jié)構(gòu)倒塌過程中的數(shù)值模擬的目的之一就是為了研究結(jié)構(gòu)的設(shè)計方式。根據(jù)實(shí)際情況的不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌的作用也有所不同，有整體作用下引起的完全倒塌或者是因?yàn)榫植孔饔靡鸬倪B續(xù)性倒塌。相對于整體作用，局部作用在防倒塌設(shè)計上較為簡單。目前我國正在積極研究整體作用下的建筑結(jié)構(gòu)，在未來的時間當(dāng)中讓我國的建筑物達(dá)到“小震不晃，大震不到”。

（二）替代載荷的有效方法

世界上一些地震多發(fā)的國家，其建筑物結(jié)構(gòu)都具有分散載荷的能力，并且有抗連續(xù)倒塌的能力。由于我國對于抗震建筑研究的時間較短，在設(shè)計理念以及設(shè)計準(zhǔn)則方面有待提高，并且應(yīng)該多加吸收國外先進(jìn)的技術(shù)，避免載荷發(fā)生在建筑物同一結(jié)構(gòu)構(gòu)件之上。目前我國在替代載荷方面取得的成就有：

1、在結(jié)構(gòu)倒塌的分析過程當(dāng)中，對幾何非線性因素進(jìn)行了考慮。通過結(jié)果表面試驗(yàn)框架在實(shí)際過程當(dāng)中會出現(xiàn)局部倒塌的現(xiàn)象。

2、根據(jù)國家GSA2010號文件規(guī)定，在滿足我國混凝土建筑規(guī)定的同時，應(yīng)該對三層以上的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行防連續(xù)倒塌的設(shè)計。

3、施工材料的強(qiáng)度應(yīng)該符合國家建筑材料的指標(biāo)，并且在其指標(biāo)上還應(yīng)該具有相應(yīng)的靈活性，能夠快速適應(yīng)建筑物當(dāng)中的核心結(jié)構(gòu)。

四 結(jié)束語

總結(jié)全文來看，離散單元法在模擬結(jié)構(gòu)數(shù)值過程當(dāng)中較為適用，可以對其進(jìn)行準(zhǔn)確的計算，并且使用起來極為靈活。使用結(jié)構(gòu)空間倒塌技術(shù)的反應(yīng)數(shù)值可以分析結(jié)構(gòu)倒塌過程當(dāng)中各類裂縫的受損度，最終揭示各類建筑的倒塌機(jī)制。

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