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建筑防倒塌设计研究

摘要:在建筑物发生倒塌的过程之中会出现一些确定的数据,施工企业为防止建筑物的倒塌就会在施工前对这些数据进行对比和分析,为将来的施工作业提供一份参考,本篇文章就通过建筑结构的性能数据进行模拟的方法进行了试验和综合的分析,以离散单元法中所提出的结构倒塌模型为基本的理论基础。并做了对混凝土试块之间相互碰撞的力学试验,并对所扩展的数据分析总结,建立起了混凝土试块在不同的碰撞方式之下的计算方式。为了提高设计计算的精度及效率,所以就使用的多尺度的模拟分析,还对在不同的荷载效应下建筑结构的防倒塌设计方法进行了总结和分析。本片论文以离散单元法为基础和依据进行了综合的分析和探讨,对其中的问题进行了阐述,并且通过它们之间数值的对比做出了解决问题的措施和方案。

关键词:建筑结构;倒塌过程;防倒塌设计

建筑物在建设和被投入到实际使用当中去的时候随时都在遭受着大自然所带来的荷载作用,比如,风荷载,雪荷载,地震荷载,人为作用力,等外力的影响。特别值得一提的是自然荷载中的地震荷载,这类地震灾害对建筑物结构的损害是最为严重的。当建筑物所受到这些外力荷载超过建筑物所能承受的程度的时候,建筑结构就会出现变形和裂缝,最后会导致建筑结构的局部倒塌甚至全部倒塌的状况。还有一些情况,比如那些使用年份到期的建筑,和所需要拆除爆破的建筑物不得不拆除的建筑,在对其进行拆迁和爆破工作之前要做好建筑物倒塌下来之后所在位置的预测工作,还要对确定下来的位置区域做好隔离安全防护工作,避免建筑拆除安全事故的发生。但是对上面的情况综合的来看,只计算建筑拆除后所倒塌的位置是不全面的,还要对建筑物倒塌进行进一步深入的研究,进而获得建筑结构倒塌更好的数据。本篇论文对现阶段建筑行业所主要使用的建筑施工方法进行了分析,并对防倒塌设计和倒塌过程模拟进行了分析和探讨。

1建筑结构进行倒塌数据模拟的方法

建筑结构的倒塌特点和通常的弹性力学的行为比较是不同的,建筑结构的倒塌特点是非线性,和连续介质弱等特性。由于外部荷载的作用和作用形式的不同,所以要想在短时间内就预测出建筑物倒塌的数据是很困难的,更不要说能够计算出精确的建筑物倒塌的范围和结果了,在进行深入研究时发现,如果采用足尺和缩尺的试验方法这所耗费的人力物力财力时间往往是非常巨大的,所以这种试验方法很难在实践研究中得到实现。所以对建筑结构进行数值模型模拟就成为了建筑倒塌课题研究中最为大家普遍采用的研究方法。在当前我国的科学技术发展的程度来说,研究方法主要有离散单元法和有限单元法这两类,这两种方法形式上是不同的,但是研究的成果却是同样的。其中的离散单元法,这种方法的特点优势就是不是典型的非连续介质,简单的说就是在使用离散单元法进行建筑结构倒塌预测时,对建筑结构的连续位移和建筑结构的自身变形或者由于外部因素所造成的变形这些因素都不用去考虑,这种方法允许一定范围内的单元结构在网格范围内发生碰撞,这种优越的性能是在有限单元法中没有的,所以,这种单元法之中的计算方法就比较适合解决建筑结构的位移较大和非连续形变介质的现象和问题。这种方法把非连续性离散体和连续性离散体当做在网格中刚性的单元,并且可以确保每一个单元都可以确保符合牛顿的第二定律的要求,应用表示动态的计算方式对每一个刚性单元之中的运动方程进行科学合理的设置,最后获得离散单元运行的形态。这种方法之中主要包括了结构散居,解运动方程式和单元链接和运动体之间碰撞分析。对于有限单元法,这种方法的主要功能作用是对于建筑结构的弹塑性和弹性进行分析。采用这种方法进行计算时,可以应用显示中心差分法或隐式直接积分法。在建筑结构进入到倒塌阶段时,主体结构内部会有负刚度产生,进而导致了刚度矩阵发生了变化,当应用隐式积分法进行计算时发现这种计算方式很难对建筑结构倒塌的详细情况做出表述。显示算法和隐式算法相比,显示中心差分法就能够把负刚度的问题规避掉,所以显示中心差分法更适合对建筑结构的倒塌这类非线性关系的弹性问题进行计算。但在有限单元法之中的计算形式不能够对网格中每个刚性单元发生形变之后的数值进行精确的计算,另外还要考虑外在的一些因素影响,在网格之中的实际单元格和建筑结构模型的繁杂程度大量的增加,导致计算量的大量增加。

2局部爆炸作用之下对混凝土框架结构的倒塌过程进行分析

2.1结构构件破换原则。建筑结构的主体结构发生整体倒塌的情况,导致的原因是在总体结构之中的处于核心结构的构部件受到了外部荷载的损坏和后续的一些连锁效应。所以要为建筑主体结构设立一个局部损坏的原则就显得十分必要。在建筑的内部产生爆炸时,就在在爆炸的一瞬间产生非常巨大的破坏力和冲击力。在对混凝土框架结构的分析和研究中发现,实验之中的建筑结构倒塌的详细数值和实际建筑结构倒塌的数值相比较之后还是有一些差异的,但是对结果的影响不大。2.2建筑结构整体发生倒塌的过程。建筑物想要发生整体的倒塌,那么就是在建筑结构的主体中的核心构部件的承载功能已经失去了它自身的功能,这时就会在平衡力和重力作用之下发生建筑物的整体倒塌。我们以离散单元法为理论基础,就能够对建筑结构平面情况进行深入分析,进而制定出针对性的解决方案。在通过钢筋混凝土框架结构的建筑结构倒塌情况做深入分析时,可以把结构之中的柱和墙离散分成若干的个体单元,同时把法向受弯和切向这三种弹性单元的数值做为对比值,进而就可以检验出每一个单元的受力程度和受力点。平面分析建筑结构的框架是比较简单的,可以通过建立模拟计算来获得结构倒塌的详细数值,但是这种方法的缺点是不能表示出建筑结构倒塌的过程之中的运动状态和模式以及其受影响的范围。在对建筑倒塌进行深入研究的过程中做了大量的实验发现,在建筑物发生倒塌是其中导致倒塌的主要原因就是建筑物楼板的影响作用。在以后的研究中作为建筑技术人员就要研发出更好更科学更先进的模拟形式和分析方法,来获得模拟建筑结构楼板在整个倒塌过程之中的运动方式。

3结构防倒塌设计

3.1建筑结构的设计形式评述。我们队建筑结构在倒塌过程之中的数据进行模拟计算研究的目的就是为研究建筑结构的设计形式。依据建筑物实际现场状况的区别和不同,致使建筑整体结构倒塌的荷载作用也是不同的,有的建筑结构是在整体荷载的效应之下所引发的全部倒塌或是由于建筑结构局部的作用引发连续性的倒塌。局部荷载作用和整体荷载作用相比较,局部荷载作用下导致的防倒塌设计是比较简单的,当前我们国家的建筑设计人员也在不断的研究和探索在整体荷载作用之下的建筑结构,相信在不久的将来,一定能够让我们国家的建筑物做到‘小震不晃’和‘大震不倒’。对于局部荷载作用下的结构抗连续倒塌的设计方法主要有两种:一种就是发生确定性的意外灾害是所发生的偶然的外部荷载,获得结构的明确反应之后在对亲进行防连续性倒塌的设计,这种方法和一般的常规设计差不多相同。还有一种方法就是忽略掉外部灾害造成的荷载里的作用,二关注结构构部件自身的整体可靠性和牢固性来对建筑结构进行防连续性倒塌设计。对一般的混凝土框架为主体结构的建筑,一般采用代替荷载路径的方法,就是把结构主体中的关键构件人为的去掉之后,在对剩余的主体结构框架体系进行能否发生连续性倒塌进行分析和研究,代替荷载路径的方法可以规避掉那些具体的外部荷载作用之下的复杂性和不确定性,是当前对建筑结构进行防连续性倒塌最普遍和常用的设计方法。3.2代替荷载的有效措施方法。在国外的一些处在地震多发地理位置的国家中,它们的建筑结构基本都具备把外部荷载力分散的功能,并具备出现局部荷载作用时抗连续坍塌的功能,因为我们国家对建筑结构的抗震研究起步的比较晚发展的时间比较短,在抗震设计的理念和抗震设计的技术标准等方面有很多的不足和有待提高的地方,我们应该多和外界相交流沟通学习,积极努力的吸取国外先进抗震技术和丰富经验,对我国的建筑工程作出更好的抗震防倒塌设计方案。通过这些年不断的向国外先进国家的学习我们国家的抗震设计研究人员也研发了一些替代荷载作用的途径和方法。具体内容如下:①抗震设计计算的方法:通过参考文献中的描述可知在对建筑结构倒塌进行分析时要考虑把几何非线性的因素加入到计算当中。计算的结果表示,针对所计算的框架结构在把跨中的承重柱去掉之后就会发生局部连续性的倒塌。对于在当前的抗震设计中的弹塑性的铰模型的缺点和不足,参考文献中通过应用条分法获得了压弯构部件及纯弯构部件的荷载形变的全过程,通过优化处理后再应用到结构的抗倒塌设计当中所取得的效果是比较好的。②构部件破换的准则。以规范2003.GSA规范的标准要求,对符合国家混凝土结构规范设计标准的框架体系结构为对象进行防连续倒塌的设计。在设计计算中对规范标准中的构件破坏准则进行了改进,就是假设钢筋屈服之后的伸长率超出百分之10之后就会发生断裂。计算的结果表示,对混凝土框架结构依据国家现行使用的混凝土设计标准规范来对其进行加固拉结之后,还是不能够负荷防倒塌设计的标准和要求;还表明了在对建筑结构进行防倒塌设计之后的建筑工程的工程总造价增加的很少。③建筑结构材料模型建筑结构的材料强度要达到国家规定的建筑材料的标准,并在其要求的标准指标智商还要具备相应的可调整性,能够对建筑结构的主体结构核心构部件快速的适应和调整。建筑材料的设计值可以用强度综合调整系数乘以常规荷载里作用之下的材料强度的设计值来表示。通过参考文献(2)中所述,基于材料的可靠性能及动力性能理论,做出了在爆炸荷载的作用之下建筑材料强度设计值的一般情况确定的方法。例如,HRB400钢筋,HRB335钢筋和HRB235钢筋的材料强度综合调整系数分别建议采用1.40,1.50,和1.55,而对于C40,C30,和C20的混凝土则其材料的综合调整系数为1.95,2.00和2.05.建筑结构的防倒塌设计和一般的建筑常规设计相比较,我们国家现阶段的建筑物主体结构的抗连续倒塌的设计理念和设计方法技术等方面还不够成熟,还有许多的问题和不足。对建筑结构的各项参数对防连续性倒塌能力的影响,建筑结构倒塌的原理和实际应用的设计方法措施等方面都在等待着我们建筑设计人员去进一步的深入研究,为以后的建筑结构的防倒塌设计建立起更加科学合理的标准的设计规范和准则。

离散单元法比较适用于地震作用和爆炸荷载作用之下对建筑物整体结构的倒塌过程数据进行模拟和分析。可以通过结构空间发生倒塌时所反映的数据模拟技术,进而来分析在机构主体倒塌的过程之中各种构部件断裂破坏的次序,互相之间的影响作用及防倒塌的作用,最终能够揭示出各种价值农户结构发生整体倒塌的机理。为了提高计算的效率和精度,要在结构解体倒塌之后发生的高效图形,接触次序,构部件断开的准则,碰撞效果,阻尼取值和高效图形显示多个方面来进行进一步深入的研究。还要不断的引入多尺度的研发理念,遵循“结构,构件和材料”的递进原则和尺度,增强构部件之间则层次和机构层次方面的研究。我国对于建筑结构的防倒塌设计还处在初始的阶段,还需要不断的发展和研究实用定量的防倒塌设计的方法。为建立我们国家自己的建筑结构防倒塌设计规范做好准备。

参考文献

[1]李毅.框架结构抗连续倒塌设计方法的检验和分析.J.建筑结构.2011.12

[2]林峰.爆炸荷载作用下材料强度设计值的确定方法.J.建筑结构学报.2010.6

[3]卢新正.框架连续倒塌设计.J.解放军理工大学学报.J.2014.8

作者:张毅鹏 单位:三门峡职业技术学院

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