城市公共建筑過渡空間屋頂結構抗毀性能測試仿真研究

劉 煒 （寧夏創博建設工程有限公司，寧夏 銀川 750000）

0 引言

目前，各城市為合理規劃建筑用地，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構通常是由梁、板、墻、鋼結構等建筑基本結構而組成的，可以承載任何正常活動，但若發生地震等自然災害，其抗毀性能還需進一步提高。針對上述分析，提出城市公共建筑過渡空間屋頂結構抗毀性能測試仿真。為建筑質量等級提供新的參考指標。

1 實驗準備

1.1 選擇實驗硬件和軟件

根據實驗需求，選擇城市公共建筑過渡空間屋頂結構抗毀性能測試仿真實驗硬件，主要硬件如表1所示。

實驗硬件示意表 表1

根據實驗需求，選擇CAE軟件，運用CAE軟件，可以對各類型結構的受力作用進行分析。CAE軟件的建模能力也非常強大，運用其計算能力和操作，可以建立出城市公共建筑過渡空間屋頂結構模式，并使用其強大的非線性分析顆粒結構抗毀性能進行測試。至此，實驗硬件與軟件選擇完成。

1.2 構建屋頂結構模型

選擇合理的實驗硬件和軟件之后，選取重慶市某商場與寫字樓之間過渡空間作為參考，需要構建城市公共建筑過渡空間屋頂結構模型。在構建模型前應先選取結構的混凝土與鋼材特性參數。表2為混凝土與鋼材特性參數。

根據上述表2數據，構建城市公共建筑過渡空間屋頂結構幾何模型，如圖1所示。

圖1 屋頂結構幾何模型圖

混凝土與鋼材特性參數 表2

根據圖1屋頂結構幾何模型圖所示，圖中共有12個受力點，在仿真實驗中，對模型中的每個受力點進行力學作用，從而測出房屋結構的抗毀性能。

1.3 計算屋頂結構抗毀強度

城市公共建筑過渡空間屋頂結構是連接公共建筑的橋梁，計算其抗毀程度，是完成抗毀性能測試的前提。根據上述圖1受力點，僅考慮水平震動，在水平力學作用下，計算受力點所能承受的抗毀強度。首先，假設

γ

為整體屋頂結構可承受壓力總值，其表達式如下所示。

其中，

S

代表受力點的高度；

b

代表震動系數；

E

代表在相應震動系數下的重力荷載；

u

代表為常數。根據上述公式（1），計算建筑過渡空間屋頂結構的抗毀強度，加入結構寬度、長度以及彈性變量，其表達式為下列公式（2）所示。

其中，

F

代表結構a點的承載力；

i

代表建筑過渡空間屋頂結構高度；

h

代表建筑過渡空間屋頂結構寬度；

v

代表結構材料的彈性變量；

l

代表建筑過渡空間屋頂結構厚度；若

i

/

h

小于1時，僅考慮結構變形的剪切模式。

2 城市公共建筑過渡空間屋頂結構抗毀性能測試

2.1 震動等級對結構抗毀性能的影響

測試城市公共建筑過渡空間屋頂結構抗毀性能，需要先明確震動等級，本文將震動等級劃分為12個等級，結合1.2節中構建的屋頂結構模型，得到不同震動等級下，過渡空間屋頂結構在兩小時內結構情況示意表。

根據上述表3數據所示，發現在震動等級在一級至四級的范圍內，建筑屋頂結構在2h內均無明顯變化；在第五級震動等級下，2h內建筑屋頂結構明顯持續晃動，但未出現開裂；在震動等級為六級時，建筑屋頂結構在2h內出現更為明顯晃動并加重；震動等級為七級時，結構先晃動并出現開裂，結構破損嚴重；在震動等級為八級到十級時，建筑屋頂結構均表現出結構出現開裂并破損，但所結構所堅持時間依次減少，分別為1h、45min以及15min；在震動等級為十一級時，結構僅堅持2min后出現倒塌損毀；震動等級為十二級時，結果僅30s的時間就倒塌損壞。

十二種震動等級下過渡空間受力時間及情況表 表3

2.2 可承受能力測試結果

通過上述2.1的測試，選取震動等級為七級，城市公共建筑過渡空間屋頂結構a1、a5、a6、a7四個受力點，經計算得知，當a1、a5、a6、a7受力點分別達到280kN、300kN、320kN、260kN 時結構損毀。下面分別檢測四個受力點的可承受壓力。表4為在七級震動時隨著時間增加，各受力點的承載力。

根據上述表4數據所示，在七級震動中，各受力點的承載力會隨著時間的增加而增加，到2h時，a1、a5、a6、a7的承載力分別為 246.78kN、165.24 kN、120.05 kN、210.85 kN，四個受力點的承載力均沒有超過損毀承載力。表5為八級震動時，四個受力點的承載力變化。

七級震動時受力點壓強示意表（kN） 表4

根據表5中數據顯示，發現在八級震動強度下，隨著時間的增加，各受力點的承受壓強增加明顯，1h時，a1、a5、a6、a7受力點壓強均超過可承受壓力，結構出現損毀。由此可見，城市公共建筑過渡空間屋頂結構不能超過八級震動，在八級震動下房頂結構僅可維持1h后便損毀。

八級震動時受力點壓強示意表 表5

3 結語

通過完整的仿真實驗，選取重慶市某公共建筑過渡空間為例，構建結構模型，測試其抗毀性能，得到了其震動等級為八級，時間為1h時，結構毀損。但由于本文對九至十二級震動等級下進行完整檢測，導致文章還存在一定的局限性，今后應考慮更高程度震動等級進一步展開研究，為建筑質量等級提供新的參考指標。