建筑结构倒塌过程模拟与防倒塌设计研究

2014-10-21赵彦峰

建筑工程技术与设计 2014年36期

赵彦峰

【摘要】建筑物在倒塌的过程当中会出现一定的数据，施工单位为了防止建筑倒塌一般会在建筑物施工的时候就会对这些数据进行参考，本文就从离散单元法的基础上出发，对建筑物结构倒塌过程模拟以及防倒塌设计进行综合分析，找出当中存在的一些问题，并且通过一些数据的对比提出解决的方案。

【关键词】建筑结构倒塌；过程模拟；倒塌设计

前言

建筑结构在使用的时候会在不经意间受到自然载荷的作用，例如，地震、人为爆破、空气冲击等。当这些载荷大于结构的承受度的时候，结构就会出现裂纹以及变形，最终导致建筑物出现部分倒塌或者全部倒塌的情况。另外，一些建筑物因為某些原因不得不进行拆除，在实施爆破之前应该对建筑倒塌的位置进行预测，并且做好倒塌区域的防护工作，避免出现建筑物拆除事故。但是从上述的情况当中来看，仅仅计算出建筑物倒塌的区域还是不够的，还应该进一步对建筑物结构倒塌进行研究，从而能够得到建筑物倒塌最好的数据。本文主要分析了当前最为主流的建筑物施工方式，并且对倒塌过程模拟以及防倒塌设计进行了探讨。

一建筑结构倒塌数值模拟的方法

相对于一般的弹塑性力学行为相比，建筑机构倒塌具有非线性、连续介质不强等特点。由于外在影响的载荷以及作用方式的不同，因此很难在短时间当中预测出建筑物倒塌的数据，更不要提精确计算出建筑结构倒塌的结果了。而足尺与缩尺结构的试验往往需要投入大量的时间与人力，因此很难连续对建筑结构进行试验。因此，数值模拟就成为了建筑结构倒塌中最常用的研究手段。从目前的科学技术来看，有限单元法与离散单元法是数值模拟的两大类，其研究方式都有所不同，但是研究的结果都是一样的。

其中有限单元法主要用于建筑物结构的弹性以及弹塑性的分析。在进行数值计算的时候，可以采用隐式直接积分法或者是显式的中心差分法。当建筑结构以及进入倒塌阶段的时候会产生“负刚度”的问题，从而导致刚度矩阵产生变化，隐式计算方式很难描述出建筑结构倒塌具体的数据。相对于隐式算法，显式解法就避免了“负刚度”的问题，所以说，显式计算法更适宜计算建筑结构倒塌这种非线性的弹塑性力学行为。但是有限单元法当中的计算方式难以准确的计算出网格产生变形后的数据，再加上外在因素的影响，网格当中的实体单元格以及建筑模型的复杂程度大大上涨，使得计算步骤有所增加。

作为离散性单元法，其典型的非连续介质就是这种单元法的优势所在，可以说离散单元法在预测建筑结构的时候，无需考虑到连续位移以及结构变形等条件，允许一定的结构单元在网格当中发生碰撞，这种包含性的性能是有限性单元法不能比拟的，因此，这种单元法当中的计算方式适用于建筑结构大位移与非连续变形介质的问题。此种方法将连续性与非连续性的离散体作为网格当中的刚性单元，并且保证各个单元能够满足牛顿的第二定律，运用显式的动态计算方式来设置各个刚性单元当中的运动方程，最终得到离散单元的运行形态。该种方法当中主要包括结构散居、单元连接、运动方程求解以及运动体的碰撞。

二局部爆炸作用下混凝土框架结构倒塌过程的分析

（一）结构部件破坏准则

整体结构出现倒塌现象主要是因为结构当中的核心结构受到了破坏再加上之后的连锁反应。所以为结构创建一个局部破坏的准则是十分重要的。当建筑物内部发生爆炸的时候，会在一瞬间产生出巨大的冲击力。通过对混凝土框架结构的研究发现，实验当中的结构倒塌数据与实际结构倒塌的数据有所差异，但是其影响不是很大。在试验当中主要采用的是试验验证法，主要使用了27块墙体以及27根石柱来进行了实验模拟，其具体数据如表格1所示：

表格1：爆炸载荷作用下钢筋混凝土的墙柱破坏的准则

从图一当中我们可以清楚的看到，纵坐标P*是结构无量钢化爆炸载荷值，横坐标I*为结构无量纲化爆炸载荷度，如果爆炸点出现在两坐标轴的近点处，那么就说明该结构会被爆炸冲击所损害。

（二）结构整体倒塌的过程

结构整体当中的核心结构失去效能过后，会在重力以及平衡力的作用下发生倒塌。从离散单元法的基础出发，可以对结构的平面状况进行分析，从而制定针对性的应对方式。

在对钢筋混凝土框架建筑倒塌情况进行分析的时候，可以将结构当中的墙柱离散成为若干个体单元，并且将法向、切向以及受弯这三个弹簧单元的数据作为对比值，用来检验单元的受力点与受力度。从表格1 当中我们可以看到，结构在爆炸过后，会被从整体当中移除，但是我们还是要考虑到建筑物的实际情况，以及剩余结构带来的牵动效应。

平面分析结构框架较为简单，可以通过模拟计算来得出结构倒塌的具体数据，但是不能反映出建筑物结构倒塌过程当中的运动模式以及影响范围。通过大量的试验表明，建筑物当中的楼板对结构倒塌会产生巨大的干扰。为了模拟建筑物楼板在倒塌过程中的运动方式，就需要我们的技术人员开发更佳先进的模拟方式以及分析的方法。

三防结构倒塌设计

（一）评述结构的设计方式

结构倒塌过程中的数值模拟的目的之一就是为了研究结构的设计方式。根据实际情况的不同，导致结构倒塌的作用也有所不同，有整体作用下引起的完全倒塌或者是因为局部作用引起的连续性倒塌。相对于整体作用，局部作用在防倒塌设计上较为简单。目前我国正在积极研究整体作用下的建筑结构，在未来的时间当中让我国的建筑物达到“小震不晃，大震不到”。

（二）替代载荷的有效方法

世界上一些地震多发的国家，其建筑物结构都具有分散载荷的能力，并且有抗连续倒塌的能力。由于我国对于抗震建筑研究的时间较短，在设计理念以及设计准则方面有待提高，并且应该多加吸收国外先进的技术，避免载荷发生在建筑物同一结构构件之上。目前我国在替代载荷方面取得的成就有：

1、在结构倒塌的分析过程当中，对几何非线性因素进行了考虑。通过结果表面试验框架在实际过程当中会出现局部倒塌的现象。

2、根据国家GSA2010号文件规定，在满足我国混凝土建筑规定的同时，应该对三层以上的建筑结构进行防连续倒塌的设计。

3、施工材料的强度应该符合国家建筑材料的指标，并且在其指标上还应该具有相应的灵活性，能够快速适应建筑物当中的核心结构。

四结束语

总结全文来看，离散单元法在模拟结构数值过程当中较为适用，可以对其进行准确的计算，并且使用起来极为灵活。使用结构空间倒塌技术的反应数值可以分析结构倒塌过程当中各类裂缝的受损度，最终揭示各类建筑的倒塌机制。

【参考文献】

[1]顾祥林，印小晶，林峰，王英. 建筑结构倒塌过程模拟与防倒塌设计[J]. 建筑结构学报，2010。

[2]张凡榛. 钢筋混凝土板柱结构抗倒塌性能研究[D].湖南大学，2012。

[3]许浒. 大开间多层砖砌体结构抗地震倒塌性能研究[D].西南交通大学，2013。

[4]万福磊. 建筑结构连续性倒塌数值模拟方法研究[D].中国建筑科学研究院，2011。