强震作用下砌体结构倒塌过程仿真分析

于天峰 牛晓东

摘要：我国是一个受到地震灾害较为严重的国家，尤其是唐山与汶川两次大地震给我国造成巨大的损失，地震中房屋倒塌是造成伤亡的重要原因，本文主要就多层砌体结构房屋建筑的震害特点进行分析，并研究砌体结构建筑在地震中的倒塌过程，掌握砌体结构的房屋建筑在地震作用下的薄弱点，通过分析研究帮助提高砌体结构建筑抗震性能的相关研究提供一定的技术依据，提高我国砌体结构建筑的综合性能和质量。

关键词：砌体建筑；地震；倒塌过程；仿真分析

从唐山大地震开始，我国工程界开始不断掌握砌体建筑在强震作用下的倒塌规律，不同的学者有着自身的研究和见解，对于砌体建筑的倒塌原因和模式提出自身的看法，但是由于房屋倒塌的过程具有一定的复兴，通过单纯的试验难以将倒塌现场重现，所以相关的研究都是定性分析，当前没有得出一个定量的结果。现代科学技术的发展，计算机信息技术的使用帮助研究者提供重现倒塌过程的平台，同时能够通过分析结构进一步验证原因和应当采取的措施。当前学者们进行倒塌方针分析的方式主要有四种：有限元方式、散体单元法、二次开发有限元的方式以及有限元软件分析，本文中采用LS-DYNA对强震作用下的提起建筑倒塌过程进行仿真分析。

1、砌体建筑的主要震害表现

掌握砌体建筑的震害特征时对其实施分析的基础，通过对历次地震的分析总价，得到以下的震害表现：墙体破坏的特征有：斜向裂缝、交叉裂缝、水平或者竖向上的裂缝都会有，同时房屋会出现位移、错位等现象；楼梯间：墙体出现裂缝、踏步接头断开、踏步板和平台梁发生拉断；纵横强：出现集中应力，严重情况下会出现墙体脱开、纵墙倒塌；屋盖：装配式楼盖的预制板在房屋墙体上的大姐长度不够，板会从腔内拔出；其他：地震过程中会产生鞭梢效应，屋顶屋面的辅助结构受到的破坏更大，突出于屋面中的烟囱、女儿墙根部很可能出现裂缝和倒塌。在9度时可遭到完全破坏。

2、砌体房屋结构倒塌的分析过程中的关键技术

常规弹性分析中，只对房屋结构进行小变形阶段的研究，而当进入到强非线性阶段的时候，采用传统方式就不能对所有结构进行统一考虑，计算也不能继续。构件发生断裂之后，房屋结构的连续性会遭到破坏，而传统的有限元分析方式不能满足计算条件；使用散体单元法可以将连续条件忽略，所以能够应用在建筑的倒塌分析中，但是该方式的计算精度低，需要耗费大量的人力和时间才能进行。在当前的倒塌分析中，有限元的动力分析应用较为广发，使用显式积分的方式进行功能的改善，能够有效的扩展应用范围。

2.1单元失效和砌体建筑结构倒塌模拟

在进行砌体结构建筑倒塌方针分析的过程中，砌体受力过度或者是遭到严重的破坏后就会推出整个工作程序，单元也发生失效。在这时建筑的结构连续受力情况进行计算，使用收敛准则就能够得到单元的失效结果，失效发生的时间和具体位置等。在砌体建筑结构分析中，很少对失效单元进行考虑，本文中加深对其的探讨。

3.仿真模型分析

3.1模型建立

通常认为砌体是一个两相材料，通过弹性的块体嵌入到非弹性的砂浆层当中。国外的学者基于这一原理设计两相非均质有限元模型，其将砌块与砂浆分开，然后通过连接单元发生联系。但是这种模型的单元划分过于细小，会让整个计算过程和问题的处理变得更加复杂，用于分析小型结构倒塌过程尚可，但是大型结构的问题却不是非常适合，后来又有学者将砌块和同分进行划分进行仿真。本文使用的就是第二种方式。

本文中使用空间三维模型精确模拟砌体建筑的结构模型，设定每一层建筑的高度为3m，则三层建筑的高度为9m；建筑的开间为3.6×3.6m，洞口尺寸为1.2×1.2m；建筑结构总成为7.2m；楼层板的厚度为110mm，外墙厚为380mm。本文选择使用LS-DYNA中的材料模型，其密度为1600kg/m3，选择的弹性模量为3.0E10Pa，设定的砌体材料的失效准则是拉应力的极限值，具体为1.0MPa。为地面的建模使用刚性材料，将平动和转动都固定。

3.2结果

数值的仿真的结果大都是以形式进行表现，研究者可以以最为直观的方式得到最有效的信息。作为建筑所有人，他们希望能够知道房屋结构在服务周期中的变化，特别是发生地震灾害之后结构变化情况，要实现这一目的，就必须在计算机仿真过程中引进可视化技术：数值仿真结果事实后处理；图形仿真的应用。其中数值仿真的后处理是为了在对建筑结构进行定量分析的过程中进行可视化，将仿真中的数字信息数据变化成为简单清晰的图形图像甚至是画面；而后者则是对仿真的信息进行集成，根据相关的规律展示图形图像的信息。

本文中的仿真分析过程中使用三维建模技术，利用失效单元实施处理之后对建筑的局部破坏情况进行模拟，在单元失效之后自动退出工作进而继续模拟构建的破坏，指导建筑倒塌。在建筑的结构中输入特定的EICentro波形，持续的时间为10s，间隔0.02s，砌体结构建筑在3.5s之间在弹性变形的状态下，进行水平晃动；在4s的时候增大晃动，之后开始损伤累积，砌筑墙体开始出现裂纹，当建筑允许的应力唱过做大应力之后，出现剪切破坏，建筑在第5.5s的时候彻底发生倒塌。根据这样的结果可以进行总结：在仿真分析过程中，首先是砌筑墙体出现变形、建筑的后部垮塌，结构因为自重荷载开始倾斜；然后构件之间开始分解，倒塌过程不再是整体的过程，构建开始进行独立的运动；最后建筑的构建触地，结构完全分解。这样的仿真分析过程是实际发生地震的建筑倒塌过程是一致的。

3.3分析

本文中设定好了材料的失效准则，单元的应力满足这样的准则下该单元就是失效单元，不再参与整个结构的倒塌作用，单元的刚度、质量等指标与结构不再发生贡献，不对结构变化产生影响，与此同时单元承担的内力完全释放出来。通过系统的分析和研究发现，仿真过程中的失效单元基本上都集中在建筑结构的底层，证明在强震作用下建筑的结构底层就是房屋发生倒塌的薄弱环节；同时，建筑结构的最大剪力没有出现明显的改变，但是发现其应变值其随着时间的变化逐渐上升。

结束语

在本文中，使用LS-DYNA对高度为9m砌体建筑倒塌过程进行仿真分析，能够得出以下结论：在砌体结构建筑中，其薄弱环节在结构底层，在水平力的作用下，会由于建筑的抗剪承载力不够发生破坏造成垮塌；砌块之间的连接性不强，虽然有进行一系列的加强措施，但是在强震作用下，连接发生破坏，砌体非常松散，进而倒塌；使用计算机软件对砌体结构建筑进行倒塌的仿真分析，能夠很好的实现数值振动台的机能，通过计算机中的试验能够掌握建筑结构的薄弱点与易损性特征，明确倒塌的密实，为学界进行防止建筑倒塌的研究提供相应的技术支持。

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