趙彥峰

【摘要】建筑物在倒塌的過(guò)程當(dāng)中會(huì)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(huì)在建筑物施工的時(shí)候就會(huì)對(duì)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(duì)建筑物結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程模擬以及防倒塌設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合分析，找出當(dāng)中存在的一些問(wèn)題，并且通過(guò)一些數(shù)據(jù)的對(duì)比提出解決的方案。

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

前言

建筑結(jié)構(gòu)在使用的時(shí)候會(huì)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(shí)候，結(jié)構(gòu)就會(huì)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(duì)建筑倒塌的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(lái)看，僅僅計(jì)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(duì)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(duì)倒塌過(guò)程模擬以及防倒塌設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)間當(dāng)中預(yù)測(cè)出建筑物倒塌的數(shù)據(jù)，更不要提精確計(jì)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(shí)間與人力，因此很難連續(xù)對(duì)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(lái)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(jì)算的時(shí)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(shí)候會(huì)產(chǎn)生“負(fù)剛度”的問(wèn)題，從而導(dǎo)致剛度矩陣產(chǎn)生變化，隱式計(jì)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(duì)于隱式算法，顯式解法就避免了“負(fù)剛度”的問(wèn)題，所以說(shuō)，顯式計(jì)算法更適宜計(jì)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(jì)算方式難以準(zhǔn)確的計(jì)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(jì)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(shì)所在，可以說(shuō)離散單元法在預(yù)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的時(shí)候，無(wú)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(jì)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(wèn)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(gè)單元能夠滿足牛頓的第二定律，運(yùn)用顯式的動(dòng)態(tài)計(jì)算方式來(lái)設(shè)置各個(gè)剛性單元當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)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(dòng)方程求解以及運(yùn)動(dòng)體的碰撞。

二 局部爆炸作用下混凝土框架結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)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(gè)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(shí)候，會(huì)在一瞬間產(chǎn)生出巨大的沖擊力。通過(guò)對(duì)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(lái)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(wú)量鋼化爆炸載荷值，橫坐標(biāo)I*為結(jié)構(gòu)無(wú)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(shuō)明該結(jié)構(gòu)會(huì)被爆炸沖擊所損害。

（二）結(jié)構(gòu)整體倒塌的過(guò)程

結(jié)構(gòu)整體當(dāng)中的核心結(jié)構(gòu)失去效能過(guò)后，會(huì)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(duì)結(jié)構(gòu)的平面狀況進(jìn)行分析，從而制定針對(duì)性的應(yīng)對(duì)方式。

在對(duì)鋼筋混凝土框架建筑倒塌情況進(jìn)行分析的時(shí)候，可以將結(jié)構(gòu)當(dāng)中的墻柱離散成為若干個(gè)體單元，并且將法向、切向以及受彎這三個(gè)彈簧單元的數(shù)據(jù)作為對(duì)比值，用來(lái)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(guò)后，會(huì)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(lái)的牽動(dòng)效應(yīng)。

平面分析結(jié)構(gòu)框架較為簡(jiǎn)單，可以通過(guò)模擬計(jì)算來(lái)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(guò)程當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)模式以及影響范圍。通過(guò)大量的試驗(yàn)表明，建筑物當(dāng)中的樓板對(duì)結(jié)構(gòu)倒塌會(huì)產(chǎn)生巨大的干擾。為了模擬建筑物樓板在倒塌過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)方式，就需要我們的技術(shù)人員開(kāi)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(jì)

（一）評(píng)述結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式

結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)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(jì)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(duì)于整體作用，局部作用在防倒塌設(shè)計(jì)上較為簡(jiǎn)單。目前我國(guó)正在積極研究整體作用下的建筑結(jié)構(gòu)，在未來(lái)的時(shí)間當(dāng)中讓我國(guó)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(guó)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(guó)對(duì)于抗震建筑研究的時(shí)間較短，在設(shè)計(jì)理念以及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則方面有待提高，并且應(yīng)該多加吸收國(guó)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(guó)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(guò)程當(dāng)中，對(duì)幾何非線性因素進(jìn)行了考慮。通過(guò)結(jié)果表面試驗(yàn)框架在實(shí)際過(guò)程當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)局部倒塌的現(xiàn)象。

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

3、施工材料的強(qiáng)度應(yīng)該符合國(guó)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(yǔ)

總結(jié)全文來(lái)看，離散單元法在模擬結(jié)構(gòu)數(shù)值過(guò)程當(dāng)中較為適用，可以對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，并且使用起來(lái)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(guò)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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