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建筑防倒塌設計研究論文
摘要：在建筑物發(fā)生倒塌的過程之中會出現(xiàn)一些確定的數(shù)據(jù)，施工企業(yè)為防止建筑物的倒塌就會在施工前對這些數(shù)據(jù)進行對比和分析，為將來的施工作業(yè)提供一份參考，本篇文章就通過建筑結構的性能數(shù)據(jù)進行模擬的方法進行了試驗和綜合的分析，以離散單元法中所提出的結構倒塌模型為基本的理論基礎。并做了對混凝土試塊之間相互碰撞的力學試驗，并對所擴展的數(shù)據(jù)分析總結，建立起了混凝土試塊在不同的碰撞方式之下的計算方式。為了提高設計計算的精度及效率，所以就使用的多尺度的模擬分析，還對在不同的荷載效應下建筑結構的防倒塌設計方法進行了總結和分析。本片論文以離散單元法為基礎和依據(jù)進行了綜合的分析和探討，對其中的問題進行了闡述，并且通過它們之間數(shù)值的對比做出了解決問題的措施和方案。
關鍵詞：建筑結構；倒塌過程；防倒塌設計
建筑物在建設和被投入到實際使用當中去的時候隨時都在遭受著大自然所帶來的荷載作用，比如，風荷載，雪荷載，地震荷載，人為作用力，等外力的影響。特別值得一提的是自然荷載中的地震荷載，這類地震災害對建筑物結構的損害是最為嚴重的。當建筑物所受到這些外力荷載超過建筑物所能承受的程度的時候，建筑結構就會出現(xiàn)變形和裂縫，最后會導致建筑結構的局部倒塌甚至全部倒塌的狀況。還有一些情況，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，在對其進行拆遷和爆破工作之前要做好建筑物倒塌下來之后所在位置的預測工作，還要對確定下來的位置區(qū)域做好隔離安全防護工作，避免建筑拆除安全事故的發(fā)生。但是對上面的情況綜合的來看，只計算建筑拆除后所倒塌的位置是不全面的，還要對建筑物倒塌進行進一步深入的研究，進而獲得建筑結構倒塌更好的數(shù)據(jù)。本篇論文對現(xiàn)階段建筑行業(yè)所主要使用的建筑施工方法進行了分析，并對防倒塌設計和倒塌過程模擬進行了分析和探討。
1、建筑結構進行倒塌數(shù)據(jù)模擬的方法
建筑結構的倒塌特點和通常的彈性力學的行為比較是不同的，建筑結構的倒塌特點是非線性，和連續(xù)介質弱等特性。由于外部荷載的作用和作用形式的不同，所以要想在短時間內就預測出建筑物倒塌的數(shù)據(jù)是很困難的，更不要說能夠計算出精確的建筑物倒塌的范圍和結果了，在進行深入研究時發(fā)現(xiàn)，如果采用足尺和縮尺的試驗方法這所耗費的人力物力財力時間往往是非常巨大的，所以這種試驗方法很難在實踐研究中得到實現(xiàn)。所以對建筑結構進行數(shù)值模型模擬就成為了建筑倒塌課題研究中最為大家普遍采用的研究方法。在當前我國的科學技術發(fā)展的程度來說，研究方法主要有離散單元法和有限單元法這兩類，這兩種方法形式上是不同的，但是研究的成果卻是同樣的。其中的離散單元法，這種方法的特點優(yōu)勢就是不是典型的非連續(xù)介質，簡單的說就是在使用離散單元法進行建筑結構倒塌預測時，對建筑結構的連續(xù)位移和建筑結構的自身變形或者由于外部因素所造成的變形這些因素都不用去考慮，這種方法允許一定范圍內的單元結構在網(wǎng)格范圍內發(fā)生碰撞，這種優(yōu)越的性能是在有限單元法中沒有的，所以，這種單元法之中的計算方法就比較適合解決建筑結構的位移較大和非連續(xù)形變介質的現(xiàn)象和問題。這種方法把非連續(xù)性離散體和連續(xù)性離散體當做在網(wǎng)格中剛性的單元，并且可以確保每一個單元都可以確保符合牛頓的第二定律的要求，應用表示動態(tài)的計算方式對每一個剛性單元之中的運動方程進行科學合理的設置，最后獲得離散單元運行的形態(tài)。這種方法之中主要包括了結構散居，解運動方程式和單元鏈接和運動體之間碰撞分析。對于有限單元法，這種方法的主要功能作用是對于建筑結構的彈塑性和彈性進行分析。采用這種方法進行計算時，可以應用顯示中心差分法或隱式直接積分法。在建筑結構進入到倒塌階段時，主體結構內部會有負剛度產(chǎn)生，進而導致了剛度矩陣發(fā)生了變化，當應用隱式積分法進行計算時發(fā)現(xiàn)這種計算方式很難對建筑結構倒塌的做出表述。顯示算法和隱式算法相比，顯示中心差分法就能夠把負剛度的問題規(guī)避掉，所以顯示中心差分法更適合對建筑結構的倒塌這類非線性關系的彈性問題進行計算。但在有限單元法之中的計算形式不能夠對網(wǎng)格中每個剛性單元發(fā)生形變之后的數(shù)值進行精確的計算，另外還要考慮外在的一些因素影響，在網(wǎng)格之中的實際單元格和建筑結構模型的繁雜程度大量的增加，導致計算量的大量增加。
2、局部爆炸作用之下對混凝土框架結構的倒塌過程進行分析
2.1結構構件破換原則。建筑結構的主體結構發(fā)生整體倒塌的情況，導致的原因是在總體結構之中的處于核心結構的構部件受到了外部荷載的損壞和后續(xù)的一些連鎖效應。所以要為建筑主體結構設立一個局部損壞的原則就顯得十分必要。在建筑的內部產(chǎn)生爆炸時，就在在爆炸的一瞬間產(chǎn)生非常巨大的破壞力和沖擊力。在對混凝土框架結構的分析和研究中發(fā)現(xiàn)，實驗之中的建筑結構倒塌的詳細數(shù)值和實際建筑結構倒塌的數(shù)值相比較之后還是有一些差異的，但是對結果的影響不大。
2.2建筑結構整體發(fā)生倒塌的過程。建筑物想要發(fā)生整體的倒塌，那么就是在建筑結構的主體中的核心構部件的承載功能已經(jīng)失去了它自身的功能，這時就會在平衡力和重力作用之下發(fā)生建筑物的整體倒塌。我們以離散單元法為理論基礎，就能夠對建筑結構平面情況進行深入分析，進而制定出針對性的解決方案。在通過鋼筋混凝土框架結構的建筑結構倒塌情況做深入分析時，可以把結構之中的柱和墻離散分成若干的個體單元，同時把法向受彎和切向這三種彈性單元的數(shù)值做為對比值，進而就可以檢驗出每一個單元的受力程度和受力點。平面分析建筑結構的框架是比較簡單的，可以通過建立模擬計算來獲得結構倒塌的詳細數(shù)值，但是這種方法的缺點是不能表示出建筑結構倒塌的過程之中的運動狀態(tài)和模式以及其受影響的范圍。在對建筑倒塌進行深入研究的過程中做了大量的實驗發(fā)現(xiàn)，在建筑物發(fā)生倒塌是其中導致倒塌的主要原因就是建筑物樓板的影響作用。在以后的研究中作為建筑技術人員就要研發(fā)出更好更科學更先進的模擬形式和分析方法，來獲得模擬建筑結構樓板在整個倒塌過程之中的運動方式。
3、結構防倒塌設計
3.1建筑結構的設計形式評述。我們隊建筑結構在倒塌過程之中的數(shù)據(jù)進行模擬計算研究的目的就是為研究建筑結構的設計形式。依據(jù)建筑物實際現(xiàn)場狀況的區(qū)別和不同，致使建筑整體結構倒塌的荷載作用也是不同的，有的建筑結構是在整體荷載的效應之下所引發(fā)的全部倒塌或是由于建筑結構局部的作用引發(fā)連續(xù)性的倒塌。局部荷載作用和整體荷載作用相比較，局部荷載作用下導致的防倒塌設計是比較簡單的，當前我們國家的建筑設計人員也在不斷的研究和探索在整體荷載作用之下的建筑結構，相信在不久的將來，一定能夠讓我們國家的建筑物做到‘小震不晃’和‘大震不倒’。對于局部荷載作用下的結構抗連續(xù)倒塌的設計方法主要有兩種：一種就是發(fā)生確定性的意外災害是所發(fā)生的偶然的外部荷載，獲得結構的明確反應之后在對親進行防連續(xù)性倒塌的設計，這種方法和一般的常規(guī)設計差不多相同。還有一種方法就是忽略掉外部災害造成的荷載里的作用，二關注結構構部件自身的整體可靠性和牢固性來對建筑結構進行防連續(xù)性倒塌設計。對一般的混凝土框架為主體結構的建筑，一般采用代替荷載路徑的方法，就是把結構主體中的關鍵構件人為的去掉之后，在對剩余的主體結構框架體系進行能否發(fā)生連續(xù)性倒塌進行分析和研究，代替荷載路徑的方法可以規(guī)避掉那些具體的外部荷載作用之下的復雜性和不確定性，是當前對建筑結構進行防連續(xù)性倒塌最普遍和常用的設計方法。
3.2代替荷載的有效措施方法。在國外的一些處在地震多發(fā)地理位置的國家中，它們的建筑結構基本都具備把外部荷載力分散的功能，并具備出現(xiàn)局部荷載作用時抗連續(xù)坍塌的功能，因為我們國家對建筑結構的抗震研究起步的比較晚發(fā)展的時間比較短，在抗震設計的理念和抗震設計的技術標準等方面有很多的不足和有待提高的地方，我們應該多和外界相交流溝通學習，積極努力的吸取國外先進抗震技術和豐富經(jīng)驗，對我國的建筑工程作出更好的抗震防倒塌設計方案。通過這些年不斷的向國外先進國家的學習我們國家的抗震設計研究人員也研發(fā)了一些替代荷載作用的途徑和方法。具體內容如下：①抗震設計計算的方法：通過參考文獻中的描述可知在對建筑結構倒塌進行分析時要考慮把幾何非線性的因素加入到計算當中。計算的結果表示，針對所計算的框架結構在把跨中的承重柱去掉之后就會發(fā)生局部連續(xù)性的倒塌。對于在當前的抗震設計中的彈塑性的鉸模型的缺點和不足，參考文獻中通過應用條分法獲得了壓彎構部件及純彎構部件的荷載形變的全過程，通過優(yōu)化處理后再應用到結構的抗倒塌設計當中所取得的效果是比較好的。②構部件破換的準則。以規(guī)范2003.GSA規(guī)范的標準要求，對符合國家混凝土結構規(guī)范設計標準的框架體系結構為對象進行防連續(xù)倒塌的設計。在設計計算中對規(guī)范標準中的構件破壞準則進行了改進，就是假設鋼筋屈服之后的伸長率超出百分之10之后就會發(fā)生斷裂。計算的結果表示，對混凝土框架結構依據(jù)國家現(xiàn)行使用的混凝土設計標準規(guī)范來對其進行加固拉結之后，還是不能夠負荷防倒塌設計的標準和要求；還表明了在對建筑結構進行防倒塌設計之后的建筑工程的工程總造價增加的很少。③建筑結構材料模型建筑結構的材料強度要達到國家規(guī)定的建筑材料的標準，并在其要求的標準指標智商還要具備相應的可調整性，能夠對建筑結構的主體結構核心構部件快速的適應和調整。建筑材料的設計值可以用強度綜合調整系數(shù)乘以常規(guī)荷載里作用之下的材料強度的設計值來表示。通過參考文獻（2）中所述，基于材料的可靠性能及動力性能理論，做出了在爆炸荷載的作用之下建筑材料強度設計值的一般情況確定的方法。例如，HRB400鋼筋，HRB335鋼筋和HRB235鋼筋的材料強度綜合調整系數(shù)分別建議采用1.40,1.50，和1.55，而對于C40，C30,和C20的混凝土則其材料的綜合調整系數(shù)為1.95,2.00和2.05.建筑結構的防倒塌設計和一般的建筑常規(guī)設計相比較，我們國家現(xiàn)階段的建筑物主體結構的抗連續(xù)倒塌的設計理念和設計方法技術等方面還不夠成熟，還有許多的問題和不足。對建筑結構的各項參數(shù)對防連續(xù)性倒塌能力的影響，建筑結構倒塌的原理和實際應用的設計方法措施等方面都在等待著我們建筑設計人員去進一步的深入研究，為以后的建筑結構的防倒塌設計建立起更加科學合理的標準的設計規(guī)范和準則。
離散單元法比較適用于地震作用和爆炸荷載作用之下對建筑物整體結構的倒塌過程數(shù)據(jù)進行模擬和分析�？梢酝ㄟ^結構空間發(fā)生倒塌時所反映的數(shù)據(jù)模擬技術，進而來分析在機構主體倒塌的過程之中各種構部件斷裂破壞的次序，互相之間的影響作用及防倒塌的作用，最終能夠揭示出各種價值農戶結構發(fā)生整體倒塌的機理。為了提高計算的效率和精度，要在結構解體倒塌之后發(fā)生的高效圖形，接觸次序，構部件斷開的準則，碰撞效果，阻尼取值和高效圖形顯示多個方面來進行進一步深入的研究。還要不斷的引入多尺度的研發(fā)理念，遵循“結構，構件和材料”的遞進原則和尺度，增強構部件之間則層次和機構層次方面的研究。我國對于建筑結構的防倒塌設計還處在初始的階段，還需要不斷的發(fā)展和研究實用定量的防倒塌設計的方法。為建立我們國家自己的建筑結構防倒塌設計規(guī)范做好準備。
參考文獻
[1]李毅.框架結構抗連續(xù)倒塌設計方法的檢驗和分析.J.建筑結構.2011.12
[2]林峰.爆炸荷載作用下材料強度設計值的確定方法.J.建筑結構學報.2010.6
[3]盧新正.框架連續(xù)倒塌設計.J.解放軍理工大學學報.J.2014.8
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