基于建筑結(jié)構(gòu)倒塌模擬的防倒塌設(shè)計

梁均盛

（廣東蓬江建筑設(shè)計院有限公司，廣東 江門 529000）

實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)倒塌模擬與分析不僅要針對于倒塌前的狀態(tài)，而且要從建筑結(jié)構(gòu)倒塌的整個過程入手，通過觀察建筑結(jié)構(gòu)倒塌的整個過程來分析倒塌成因，對此則需要從建筑結(jié)構(gòu)的主體構(gòu)件，混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)兩大方面出發(fā)來模擬其倒塌數(shù)值，并采用圖形仿真技術(shù)，對結(jié)構(gòu)倒塌提供形象、逼真的圖形模擬，進(jìn)而為抗倒塌設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)。

1 建筑結(jié)構(gòu)倒塌模擬

1.1 混凝土結(jié)構(gòu)倒塌模擬

（1） 結(jié)構(gòu)部件的破壞原理

混凝土結(jié)構(gòu)倒塌始于內(nèi)部重要構(gòu)件坍塌后帶來的關(guān)聯(lián)性塌陷。對此需要明確構(gòu)件的破壞原理，建筑物爆炸受損的一霎，將帶來極大的沖擊荷載，以試驗方式分析了鋼混結(jié)構(gòu)部件爆炸荷載沖擊下的破壞特點(diǎn)，通過試驗結(jié)果檢驗了構(gòu)件受損、受破壞的相關(guān)數(shù)值，同時，模擬墻體、根柱的數(shù)值，采用能量法得出了墻構(gòu)件、柱構(gòu)件因為受到爆炸荷載影響后產(chǎn)生的破壞漸近線，如下圖1 所示。

當(dāng)某一爆炸荷載點(diǎn)出現(xiàn)在紅色破壞漸近線的左上方時，意味著此結(jié)構(gòu)部件將受損。

（2） 結(jié)構(gòu)倒塌模擬

關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)部件受損后，此結(jié)構(gòu)則可能發(fā)生坍塌，具體可以從平面、空間兩個角度模擬分析。平面角度剖析鋼混框架構(gòu)造坍塌時，可以把其梁柱結(jié)構(gòu)離散為幾個剛體，從法向、切向與受彎幾大彈簧單元來分析不同剛體間的受力狀態(tài)。也就是當(dāng)某一關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件受損，則會從整個建筑結(jié)構(gòu)中踢掉，具體則要分析此動作對余下的結(jié)構(gòu)形成的動力效應(yīng)。

1.2 地震力下的結(jié)構(gòu)倒塌模擬

（1） 混凝土框架構(gòu)造

根據(jù)離散結(jié)構(gòu)圖，可以將三維拉、壓彈簧組設(shè)置于單元鏈接位置，同時，引進(jìn)單軸混凝土彈簧滯回模型、鋼筋彈簧力滯回模型。同樣借助離散單元法來深入分析地震力對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，模擬結(jié)構(gòu)倒塌整個經(jīng)過，經(jīng)過試驗結(jié)構(gòu)得出：數(shù)值模擬法能提供高精度的試驗結(jié)果。

（2） 砌體結(jié)構(gòu)

不同于混凝土構(gòu)造，砌體結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌時，不僅無法保持連續(xù)，而且局部形狀會大變，而且砂漿強(qiáng)度通常較板材自身弱，從而使得砂漿灰縫內(nèi)有大量的裂縫產(chǎn)生，對此應(yīng)嘗試把砌體結(jié)構(gòu)想成無法變形的砌塊合體，對應(yīng)創(chuàng)建一個三維離散元模型，見圖2 所示。

不同塊體間憑借砂漿來彼此協(xié)調(diào)，彈簧的本構(gòu)模型如下圖3。同樣選擇離散單元法能夠?qū)Y(jié)構(gòu)倒塌的全過程加以模擬，試驗數(shù)據(jù)的結(jié)果證明模擬程度較好。

1.3 結(jié)構(gòu)倒塌過程的圖形仿真

建筑結(jié)構(gòu)倒塌整個過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)、數(shù)值等可以通過圖形來仿真、呈現(xiàn)。要想達(dá)到對建筑工程結(jié)構(gòu)的多維度地震力作用探究，則可以依賴于結(jié)構(gòu)圖形建模技術(shù)，呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)倒塌的清晰的三維結(jié)構(gòu)圖。

（1） 三維結(jié)構(gòu)圖建模

利用OpenGL 可以借助數(shù)據(jù)文件、交互圖形界面等形成一個三維結(jié)構(gòu)圖，通過參照數(shù)據(jù)文件內(nèi)部的相關(guān)數(shù)據(jù)、信息則能夠把對象根據(jù)其形狀大小等清晰地出現(xiàn)在虛擬空間坐標(biāo)系，并根據(jù)現(xiàn)實(shí)的方向來轉(zhuǎn)動，最終根據(jù)形心坐標(biāo)對應(yīng)轉(zhuǎn)移至合適的部位。各個單元都采取相似的程序操作，而且要妥善處理消隱技術(shù)，最終就能獲得一個完整的以及細(xì)微環(huán)節(jié)的三維模型。

（2） 三維動畫呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形

建筑結(jié)構(gòu)倒塌時要通過三維動畫來呈現(xiàn)，對此可以借助此軟件的雙緩沖功能，接連持續(xù)地呈現(xiàn)圖形，并動態(tài)地展示出來，這樣就能全面、真實(shí)地結(jié)實(shí)數(shù)據(jù)計算結(jié)果，也能達(dá)到對建筑工程結(jié)構(gòu)崩潰的三維展示，為建筑工程結(jié)構(gòu)的防倒塌設(shè)計提供依據(jù)。

2 建筑結(jié)構(gòu)防倒塌設(shè)計

建筑工程結(jié)構(gòu)倒塌主要包括兩大形式：整體破壞導(dǎo)致的全盤倒塌以及局部破壞造成的連續(xù)性倒塌。其中前者的預(yù)防倒塌設(shè)計只是從理論上本著大震不倒的方向，然而，卻缺少科學(xué)的依據(jù)和計算。后者的防倒塌設(shè)計則選擇兩大方法：第一，以明確的突發(fā)性災(zāi)害所帶來的偶然荷載，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)加以設(shè)計，屬于常規(guī)性設(shè)計。第二，忽略災(zāi)難的荷載與外力，關(guān)注自身結(jié)構(gòu)是否牢固、結(jié)實(shí)而形成的結(jié)構(gòu)設(shè)計。如果是混凝土構(gòu)造，通常選擇替代荷載路徑法，也就是人為地除掉混凝土結(jié)構(gòu)中的核心結(jié)構(gòu)部件，并分析余下的構(gòu)造有無連續(xù)倒塌的可能。具體的防倒塌設(shè)計流程大致為：

第一，常規(guī)設(shè)計，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型，明確承重構(gòu)件去除工況，對各個去除工況添加荷載組合。

第二，檢查構(gòu)件有效與否。當(dāng)構(gòu)件有效則要完成加載，相反，若構(gòu)件無效則要排除那些無效構(gòu)件，而且要將此構(gòu)件的自重添入下層對應(yīng)部位。

第三，完成加載，并檢查結(jié)構(gòu)破壞范圍超限與否，如果超限則意味著未達(dá)到抗倒塌設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，則要再次設(shè)計結(jié)構(gòu)，相反，如果結(jié)構(gòu)破壞范圍未超限，則此防倒塌設(shè)計正常通過。

第四，最后還要檢查有無未驗算的工況，沒有未驗算工況則可以結(jié)束設(shè)計，相反，存在未驗算的工況，則要除掉此工程施加的荷載組合。

替代荷載路徑的設(shè)計法有效克服了不同作用力之下所帶來的不定性與復(fù)雜性，屬于現(xiàn)階段建筑工程抗連續(xù)倒塌設(shè)計最常見的方法之一。

3 結(jié)語

離散單元法應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)倒塌模擬具有一定的科學(xué)性、準(zhǔn)確性，通過空間結(jié)構(gòu)倒塌的相關(guān)數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬，能夠得出建筑結(jié)構(gòu)倒塌不同構(gòu)件的斷裂先后，從而明確不同構(gòu)造的倒塌原理。建筑結(jié)構(gòu)防倒塌設(shè)計依然處于探索時期，要不斷地更新發(fā)展，才能為建筑結(jié)構(gòu)防倒塌設(shè)計提供更優(yōu)參考。