城市公共建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)抗毀性能測試仿真研究

劉 煒 （寧夏創(chuàng)博建設(shè)工程有限公司，寧夏 銀川 750000）

0 引言

目前，各城市為合理規(guī)劃建筑用地，通常在商場與商場間建立天橋通道，不僅提供了交通便利，也使群眾安全得到了保障。公共建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)通常是由梁、板、墻、鋼結(jié)構(gòu)等建筑基本結(jié)構(gòu)而組成的，可以承載任何正常活動(dòng)，但若發(fā)生地震等自然災(zāi)害，其抗毀性能還需進(jìn)一步提高。針對上述分析，提出城市公共建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)抗毀性能測試仿真。為建筑質(zhì)量等級提供新的參考指標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 選擇實(shí)驗(yàn)硬件和軟件

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，選擇城市公共建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)抗毀性能測試仿真實(shí)驗(yàn)硬件，主要硬件如表1所示。

實(shí)驗(yàn)硬件示意表 表1

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，選擇CAE軟件，運(yùn)用CAE軟件，可以對各類型結(jié)構(gòu)的受力作用進(jìn)行分析。CAE軟件的建模能力也非常強(qiáng)大，運(yùn)用其計(jì)算能力和操作，可以建立出城市公共建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)模式，并使用其強(qiáng)大的非線性分析顆粒結(jié)構(gòu)抗毀性能進(jìn)行測試。至此，實(shí)驗(yàn)硬件與軟件選擇完成。

1.2 構(gòu)建屋頂結(jié)構(gòu)模型

選擇合理的實(shí)驗(yàn)硬件和軟件之后，選取重慶市某商場與寫字樓之間過渡空間作為參考，需要構(gòu)建城市公共建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)模型。在構(gòu)建模型前應(yīng)先選取結(jié)構(gòu)的混凝土與鋼材特性參數(shù)。表2為混凝土與鋼材特性參數(shù)。

根據(jù)上述表2數(shù)據(jù)，構(gòu)建城市公共建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)幾何模型，如圖1所示。

圖1 屋頂結(jié)構(gòu)幾何模型圖

混凝土與鋼材特性參數(shù) 表2

根據(jù)圖1屋頂結(jié)構(gòu)幾何模型圖所示，圖中共有12個(gè)受力點(diǎn)，在仿真實(shí)驗(yàn)中，對模型中的每個(gè)受力點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)作用，從而測出房屋結(jié)構(gòu)的抗毀性能。

1.3 計(jì)算屋頂結(jié)構(gòu)抗毀強(qiáng)度

城市公共建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)是連接公共建筑的橋梁，計(jì)算其抗毀程度，是完成抗毀性能測試的前提。根據(jù)上述圖1受力點(diǎn)，僅考慮水平震動(dòng)，在水平力學(xué)作用下，計(jì)算受力點(diǎn)所能承受的抗毀強(qiáng)度。首先，假設(shè)

γ

為整體屋頂結(jié)構(gòu)可承受壓力總值，其表達(dá)式如下所示。

其中，

S

代表受力點(diǎn)的高度；

b

代表震動(dòng)系數(shù)；

E

代表在相應(yīng)震動(dòng)系數(shù)下的重力荷載；

u

代表為常數(shù)。根據(jù)上述公式（1），計(jì)算建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)的抗毀強(qiáng)度，加入結(jié)構(gòu)寬度、長度以及彈性變量，其表達(dá)式為下列公式（2）所示。

其中，

F

代表結(jié)構(gòu)a點(diǎn)的承載力；

i

代表建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)高度；

h

代表建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)寬度；

v

代表結(jié)構(gòu)材料的彈性變量；

l

代表建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)厚度；若

i

/

h

小于1時(shí)，僅考慮結(jié)構(gòu)變形的剪切模式。

2 城市公共建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)抗毀性能測試

2.1 震動(dòng)等級對結(jié)構(gòu)抗毀性能的影響

測試城市公共建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)抗毀性能，需要先明確震動(dòng)等級，本文將震動(dòng)等級劃分為12個(gè)等級，結(jié)合1.2節(jié)中構(gòu)建的屋頂結(jié)構(gòu)模型，得到不同震動(dòng)等級下，過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)在兩小時(shí)內(nèi)結(jié)構(gòu)情況示意表。

根據(jù)上述表3數(shù)據(jù)所示，發(fā)現(xiàn)在震動(dòng)等級在一級至四級的范圍內(nèi)，建筑屋頂結(jié)構(gòu)在2h內(nèi)均無明顯變化；在第五級震動(dòng)等級下，2h內(nèi)建筑屋頂結(jié)構(gòu)明顯持續(xù)晃動(dòng)，但未出現(xiàn)開裂；在震動(dòng)等級為六級時(shí)，建筑屋頂結(jié)構(gòu)在2h內(nèi)出現(xiàn)更為明顯晃動(dòng)并加重；震動(dòng)等級為七級時(shí)，結(jié)構(gòu)先晃動(dòng)并出現(xiàn)開裂，結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重；在震動(dòng)等級為八級到十級時(shí)，建筑屋頂結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂并破損，但所結(jié)構(gòu)所堅(jiān)持時(shí)間依次減少，分別為1h、45min以及15min；在震動(dòng)等級為十一級時(shí)，結(jié)構(gòu)僅堅(jiān)持2min后出現(xiàn)倒塌損毀；震動(dòng)等級為十二級時(shí)，結(jié)果僅30s的時(shí)間就倒塌損壞。

十二種震動(dòng)等級下過渡空間受力時(shí)間及情況表 表3

2.2 可承受能力測試結(jié)果

通過上述2.1的測試，選取震動(dòng)等級為七級，城市公共建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)a1、a5、a6、a7四個(gè)受力點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算得知，當(dāng)a1、a5、a6、a7受力點(diǎn)分別達(dá)到280kN、300kN、320kN、260kN 時(shí)結(jié)構(gòu)損毀。下面分別檢測四個(gè)受力點(diǎn)的可承受壓力。表4為在七級震動(dòng)時(shí)隨著時(shí)間增加，各受力點(diǎn)的承載力。

根據(jù)上述表4數(shù)據(jù)所示，在七級震動(dòng)中，各受力點(diǎn)的承載力會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加，到2h時(shí)，a1、a5、a6、a7的承載力分別為 246.78kN、165.24 kN、120.05 kN、210.85 kN，四個(gè)受力點(diǎn)的承載力均沒有超過損毀承載力。表5為八級震動(dòng)時(shí)，四個(gè)受力點(diǎn)的承載力變化。

七級震動(dòng)時(shí)受力點(diǎn)壓強(qiáng)示意表（kN） 表4

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)顯示，發(fā)現(xiàn)在八級震動(dòng)強(qiáng)度下，隨著時(shí)間的增加，各受力點(diǎn)的承受壓強(qiáng)增加明顯，1h時(shí)，a1、a5、a6、a7受力點(diǎn)壓強(qiáng)均超過可承受壓力，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損毀。由此可見，城市公共建筑過渡空間屋頂結(jié)構(gòu)不能超過八級震動(dòng)，在八級震動(dòng)下房頂結(jié)構(gòu)僅可維持1h后便損毀。

八級震動(dòng)時(shí)受力點(diǎn)壓強(qiáng)示意表 表5

3 結(jié)語

通過完整的仿真實(shí)驗(yàn)，選取重慶市某公共建筑過渡空間為例，構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，測試其抗毀性能，得到了其震動(dòng)等級為八級，時(shí)間為1h時(shí)，結(jié)構(gòu)毀損。但由于本文對九至十二級震動(dòng)等級下進(jìn)行完整檢測，導(dǎo)致文章還存在一定的局限性，今后應(yīng)考慮更高程度震動(dòng)等級進(jìn)一步展開研究，為建筑質(zhì)量等級提供新的參考指標(biāo)。