建筑工程倒塌實(shí)例分析

建筑結(jié)構(gòu)的安全經(jīng)受著各種考驗(yàn)，目前導(dǎo)致建筑倒塌的主要原因有地震、強(qiáng)風(fēng)和撞擊，其中撞擊主要由恐怖襲擊、爆炸沖擊波以及山體滑坡等引起。各種撞擊對建筑結(jié)構(gòu)造成的倒塌破壞有其共同之處，主要表現(xiàn)為作用力非常大且持續(xù)時(shí)間短，直接被撞擊構(gòu)件瞬間破壞，繼而引起其余構(gòu)件相繼破壞，最終建筑發(fā)生連續(xù)倒塌。

末端攔截

落石對房屋產(chǎn)生巨大的沖擊，可能導(dǎo)致房屋倒塌，以下圖片尚屬輕微案例。

既然落石是外因，那是否可以把它直接滅掉呢？這就需要我們的攔石墻來立功了。

△Pic1:攔石墻示意圖，基于彈塑性修正Hertz接觸理論的落石沖擊力計(jì)算方法

連續(xù)倒塌分析方法

連續(xù)倒塌分析目前常采用的方法為“拆除構(gòu)件法”，也就是將直接受沖擊破壞的柱直接刪除繼而進(jìn)行后續(xù)分析，此方法無法考慮撞擊階段柱完全破壞之前的影響和狀態(tài)。本例在此基礎(chǔ)上提出“動(dòng)力沖擊時(shí)程法”，也就是初始模型存在被撞擊柱，通過作用沖擊力讓其破壞后刪除，即“殺死單元”。

對于落石撞擊連續(xù)倒塌分析，整個(gè)流程如下：根據(jù)能量守恒定理，將落石勢能轉(zhuǎn)換為落石動(dòng)能求解落石速度；根據(jù)動(dòng)量守恒定理，將落石動(dòng)量轉(zhuǎn)換為沖擊力，此過程也可借助有限元軟件完成；將沖擊力作用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行連續(xù)倒塌分析。

落石撞擊力估算

首先我們要認(rèn)識落石撞擊混凝土柱的實(shí)際狀態(tài)。分析一落石以10m/s的初始速度撞向混凝土柱，混凝土和鋼筋采用分離模型，混凝土采用RHT模型。

上述的彈塑性狀態(tài)無法求取撞擊力，我們只能將混凝土柱假定為彈性，通過捕獲接觸面的接觸力來分析。

上圖虛線為實(shí)際的接觸力曲線，實(shí)線為與時(shí)間軸面積相當(dāng)?shù)脑瓌t（動(dòng)量守恒）確定的折線，連續(xù)倒塌分析中將折線時(shí)程荷載輸入模型。

防連續(xù)倒塌破壞準(zhǔn)則

結(jié)構(gòu)關(guān)鍵豎向構(gòu)件被撞擊破壞后，結(jié)構(gòu)內(nèi)力將重新分配，部分構(gòu)件進(jìn)入塑性，繼而無論結(jié)構(gòu)形成懸梁機(jī)制還是懸鏈機(jī)制，只要整體結(jié)構(gòu)能重新達(dá)到平衡，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生坍塌或倒塌。經(jīng)相關(guān)研究表明當(dāng)梁兩端的相對豎向位移超過跨度的1/5后，變形將會繼續(xù)發(fā)展并趨于發(fā)散，結(jié)構(gòu)進(jìn)入不可逆的倒塌過程。

△Pic2:分析模型及試驗(yàn)考察點(diǎn)豎向位移比較，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌機(jī)制研究，胡凱

抗連續(xù)倒塌的判定準(zhǔn)則除了整體變形還應(yīng)對構(gòu)件行為提出要求。關(guān)鍵豎向構(gòu)件失效后，允許其余構(gòu)件進(jìn)入塑性，促使結(jié)構(gòu)重新達(dá)到平衡。

落石撞房連續(xù)倒塌分析結(jié)果

分析采用Ls-dyna通用有限元軟件，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)被沖擊柱以外的梁和柱采用Hughes-Liu截面積分梁單元，混凝土部分為矩形截面，鋼筋部分采用矩形管截面模擬，將兩個(gè)截面積分梁單元捆綁在一起。樓板采用殼單元，鋼筋均勻分布在殼單元中。

混凝土及鋼筋的材料本構(gòu)模型采用歐洲規(guī)范EC2。從圖形中可以看出所有的力均可歸至0狀態(tài)繼而破壞，比較適合用于地震或撞擊等極限狀態(tài)的倒塌分析。

分析結(jié)果如下，過程中可發(fā)現(xiàn)柱被撞擊破壞掉落。

考察點(diǎn)豎向變形如下圖，未達(dá)倒塌標(biāo)準(zhǔn)，且達(dá)到最大豎向變形后震蕩較小與Pic2中試驗(yàn)較為接近；考察梁柱軸力如下圖，梁柱內(nèi)存在較大的拉結(jié)力。

樓板鋼筋應(yīng)力如下圖，樓板形成了一個(gè)很明顯的V字形拉結(jié)路徑，頂點(diǎn)為破壞柱處。說明樓板對本例防倒塌起著至關(guān)重要的作用。

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