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建筑结构连续倒塌分析

文章出处:悍马加固材料人气:522发表时间:2018-01-03 09:35:00【

建筑结构的安全经受着各种考验,目前导致建筑倒塌的主要原因有地震、强风和撞击,其中撞击主要由恐怖袭击、爆炸冲击波以及山体滑坡等引起。各种撞击对建筑结构造成的倒塌破坏有其共同之处,主要表现为作用力非常大且持续时间短,直接被撞击构件瞬间破坏,继而引起其余构件相继破坏,建筑发生连续倒塌。

末端拦截

落石对房屋产生巨大的冲击,可能导致房屋倒塌,以下图片尚属轻微案例。

落石对房屋产生巨大的冲击

既然落石是外因,那是否可以把它直接灭掉呢?这就需要我们的拦石墙来立功了。

Pic1:拦石墙示意图

△Pic1:拦石墙示意图,基于弹塑性修正Hertz接触理论的落石冲击力计算方法

连续倒塌分析方法

连续倒塌分析目前常采用的方法为“拆除构件法”,也就是将直接受冲击破坏的柱直接删除继而进行后续分析,此方法无法考虑撞击阶段柱完全破坏之前的影响和状态。本例在此基础上提出“动力冲击时程法”,也就是初始模型存在被撞击柱,通过作用冲击力让其破坏后删除,即“杀死单元”。

落石撞击连续倒塌分析

对于落石撞击连续倒塌分析,整个流程如下:根据能量守恒定理,将落石势能转换为落石动能求解落石速度;根据动量守恒定理,将落石动量转换为冲击力,此过程也可借助有限元软件完成;将冲击力作用于结构构件进行连续倒塌分析。

落石撞击力估算

首先我们要认识落石撞击混凝土柱的实际状态。分析一落石以10m/s的初始速度撞向混凝土柱,混凝土和钢筋采用分离模型,混凝土采用RHT模型。

混凝土采用RHT模型

上述的弹塑性状态无法求取撞击力,我们只能将混凝土柱假定为弹性,通过捕获接触面的接触力来分析。

实际的接触力曲线

上图虚线为实际的接触力曲线,实线为与时间轴面积相当的原则(动量守恒)确定的折线,连续倒塌分析中将折线时程荷载输入模型。

防连续倒塌破坏准则

结构关键竖向构件被撞击破坏后,结构内力将重新分配,部分构件进入塑性,继而无论结构形成悬梁机制还是悬链机制,只要整体结构能重新达到平衡,结构不会发生坍塌或倒塌。经相关研究表明当梁两端的相对竖向位移超过跨度的1/5后,变形将会继续发展并趋于发散,结构进入不可逆的倒塌过程。

Pic2:分析模型及试验考察点竖向位移比较

△Pic2:分析模型及试验考察点竖向位移比较,钢筋混凝土结构连续倒塌机制研究,胡凯

抗连续倒塌的判定准则除了整体变形还应对构件行为提出要求。关键竖向构件失效后,允许其余构件进入塑性,促使结构重新达到平衡。

落石撞房连续倒塌分析结果

分析采用Ls-dyna通用有限元软件,钢筋混凝土框架结构被冲击柱以外的梁和柱采用Hughes-Liu截面积分梁单元,混凝土部分为矩形截面,钢筋部分采用矩形管截面模拟,将两个截面积分梁单元捆绑在一起。楼板采用壳单元,钢筋均匀分布在壳单元中。

混凝土及钢筋的材料本构模型采用欧洲规范EC2。从图形中可以看出所有的力均可归至0状态继而破坏,比较适合用于地震或撞击等极限状态的倒塌分析。

柱被撞击破坏掉落

分析结果如下,过程中可发现柱被撞击破坏掉落。

8.gif

考察点竖向变形如下图,未达倒塌标准,且达到竖向变形后震荡较小与Pic2中试验较为接近;考察梁柱轴力如下图,梁柱内存在较大的拉结力。

考察梁柱轴力

楼板钢筋应力如下图,楼板形成了一个很明显的V字形拉结路径,顶点为破坏柱处。说明楼板对本例防倒塌起着至关重要的作用。

楼板钢筋应力

原文链接http://www.shhorse.com/Article/jzjglxsdtfx_1.html

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