強臺風作用下低矮建筑結構抗連續性倒塌方法

殷 玥，齊應濤

(西安交通大學人居環境與建筑工程學院，陜西 西安 710000)

1 引言

連續性倒塌描述的是建筑結構中存在的構件在意外事件下出現損傷或破壞，并在外力持續影響下形成的連鎖效應，導致建筑結構出現大范圍破壞，最終致使建筑物倒塌[1，2]。當建筑結構出現連續性倒塌現象時，會在社會中產生極大的負面影響，并且伴隨著人員和財產損失。強臺風是造成建筑結構倒塌的主要因素，在目前結構工程研究領域中建筑結構抗連續性倒塌方法成為熱門課題。

李曉楠[3]等人針對建筑結構中構件在倒塌事故中的內力分布情況、塑性鉸變化情況，在Pushdown分析方法中引入靜力分析方法進行整體分析，根據分析結果設計建筑結構抗連續性倒塌方法，該方法沒有分析建筑結構的倒塌過程，設計的抗連續性倒塌方法在測試過程中的倒塌率較高，表明方法的整體有效性較差。朱南海[4]等人通過冗余度和易損性對建筑結構失效后的整體性能進行評價，根據評價結果通過削弱易損性低、冗余度高的構件，加強易損性高、冗余度低的構件提高建筑結構的抗連續性倒塌能力，該方法沒有構建建筑結構的有限元模型，無法準確地獲取建筑結構發生連續性倒塌事故的相關數據，導致建筑結構在外力作用下的相對失效概率較高。孟麗[5]分析了建筑結構的安全儲備情況，對倒塌儲備系數進行計算，通過增量動力分析法結合倒塌儲備系數提高建筑結構的抗連續性倒塌能力系數，該方法無法準確地獲得外力作用下建筑物在X方向、Y方向和Z方向的位移變化，進而增加了構建的失效時間，存在位移檢測誤差大和失效時間長的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出強臺風作用下低矮建筑結構抗連續性倒塌方法，該方法首先構建了有限元模型對低矮建筑結構在強臺風作用下的連續性倒塌事故進行分析，獲得相關數據，以此為依據提高低矮建筑結構的抗連續性倒塌性能。

2 有限元模型

2.1 建模方法

強臺風作用下低矮建筑結構抗連續性倒塌方法通過PKPM軟件設計低矮建筑的組合框架，在ABAQUS/Explicit中進行低矮建筑在強臺風作用下的連續性倒塌模擬[6]，針對建筑結構中存在的鋼筋和相關部件，分別利用桁架單元和實體單元進行模擬。并利用實體單元在軟件中構建砌塊模型，將內聚力單元插入低矮建筑結構的砌塊之間，其主要目的是模擬砌塊在強臺風作用下產生的砂漿作用。采用面-面接觸方法實現核心混凝土與鋼管在低矮建筑物中的連接，低矮建筑結構中的互相接觸區域通過設置的通用接觸線得以識別。

2.2 邊界條件

強臺風作用下低矮建筑結構抗連續性倒塌方法在GSA準則下設置低矮建筑物梁端的邊界條件，在設置邊界條件時，需要考慮水平連續拉結作用。

2.3 材料本構關系

1)鋼材本構關系

通過下降段的本構模型描述鋼材在低矮建筑結構中的本構關系[7，8]，對鋼材的軟化特征進行反映，鋼材本構關系可通過下式進行描述

(1)

式中，Es代表的是鋼材在低矮建筑結構中的彈性模量；ε代表的是鋼材的應變；εy代表的是鋼材在低矮建筑結構中的屈服應變；fy代表的是鋼材在低矮建筑結構中的屈服強度；參數k1可通過鋼材屈服應變與強化段起點應變計算得到；參數k2可通過鋼材屈服強度與峰值應變計算得到；參數k3可通過鋼材屈服強度與峰值應力計算得到。

2)混凝土本構模型[9，10]

對混凝土在強臺風作用下受鋼管的約束進行考慮，建立如下本構模型

(2)

3)填充墻砌塊本構模型

通過混凝土塑性損傷模型描述砌塊在低矮建筑結構中的本構模型[11，12]，利用下式描述單軸受壓砌體本構關系

(3)

式中，fm代表的是砌體在低矮建筑結構中抗壓強度對應的平均值。

3 抗連續性倒塌方法

圖1 抗力需求

根據能量平衡原理建立能量平衡方程，其表達式如下

(4)

(5)

(6)

結合上述內容，獲得下述公式

(7)

(8)

(9)

用Ub表示梁機制在低矮建筑結構中的能耗，其計算公式如下

(10)

式中，Ψ代表的是在總能耗中梁機制下能耗所占的比例，即能耗系數。

用γc′表示梁機制能耗后低矮建筑結構非限定動力與靜力抗力需求之間存在的關系

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

對上式進行分析可知，低矮建筑結構的抗力需求與構件抗力需求相同，以此為依據實現對低矮建筑結構連續性倒塌設計。

4 實驗與分析

為了驗證強臺風作用下低矮建筑結構抗連續性倒塌方法的整體有效性，需要對其進行測試。

分別采用強臺風作用下低矮建筑結構抗連續性倒塌方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法進行抗連續性倒塌測試，對比不同方法的倒塌率Pc，其計算公式如下

(17)

式中，n代表的是拆除構件總工況數量；nc代表的是出現連續性倒塌的結構數量。

所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的倒塌率如圖2所示。

圖2 不同方法的倒塌率

倒塌率越高表明方法的抗連續性倒塌能力越弱，相反，倒塌率越低，表明方法的抗連續性倒塌能力越強。對圖2中的數據進行分析可知，所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的倒塌率隨著建筑數量的增加而增加，對三種方法的測試結果進行分析發現，所提方法的倒塌率上升幅度最小，且均控制在10%以內，文獻[3]方法和文獻[4]方法在相同建筑數量下獲得的倒塌率均高于所提方法，且倒塌率的上升幅度較大，經對比發現，所提方法的倒塌率最小，表明該方法的抗連續性倒塌能力強，因為所提方法構建了有限元模型，對低矮建筑結構的連續性倒塌進行分析，以此為依據設計抗連續性倒塌方法，降低了倒塌率。

將相對失效概率作為指標，對所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法進行測試，相對失效概率越低，表明方法的性能越好，不同方法的測試結果如圖3所示。

圖3 不同方法的相對失效概率

通過五個建筑結構進行測試發現，采用所提方法進行測試時，獲得的相對失效概率均在15%以內，采用文獻[3]方法對建筑結構1進行測試時，獲得的相對失效概率高達70%，采用文獻[4]方法建筑結構3進行測試時，獲得的相對失效概率高達80%。文獻[3]方法和文獻[4]方法的相對失效概率較高，表明以上兩種方法的抗連續性倒塌性能差，所提方法的相對失效概率低，表明該方法的抗連續性倒塌性能好。

采用所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法檢測低矮建筑結構在強臺風作用下的位移變化，并將檢測結果與實際結果進行對比。

圖4 不同方法的位移變化

對圖4中的數據進行分析可知，采用所提方法對強臺風作用下的低矮建筑結構位移變化進行檢測時，獲得的檢測結果與實際結果基本相符，采用文獻[3]方法和文獻[4]方法對強臺風作用下的低矮建筑結構位移變化進行檢測時，獲得的檢測結果與實際結果之間的偏差較大，通過上述分析可知，所提方法可準確地完成位移檢測，為結構抗連續性方法的設計提供相關依據。

在上述測試結果的基礎上，在不同強臺風風速下測試不同方法作用下的柱失效時間，測試結果如圖5所示。

圖5 不同方法的失效時間

對圖5中的數據進行分析可知，隨著風速的增加，不同方法作用下的柱失效時間均有所增長，但在相同風速下，所提方法的柱失效時間均在0.02s以下，遠遠低于文獻[3]方法和文獻[4]方法作用下的柱失效時間，失效時間越短，表明方法的有效性越好，驗證了所提方法的整體有效性。

5 結束語

低矮建筑結構在強臺風作用下容易出現連續性倒塌事故，嚴重威脅著社會公共安全。目前建筑結構連續性抗倒塌方法存在倒塌率高、相對失效概率高、位移檢測誤差大和失效時間長的問題，提出強臺風作用下低矮建筑結構抗連續性倒塌方法，通過有限元方法模擬倒塌過程，獲取相關依據，實現建筑結構抗連續性倒塌方法的設計。經實驗證明，所提方法解決了傳統方法中存在的問題，提高了低矮建筑結構的安全性，增強了低矮建筑結構在強臺風作用下的抗連續性倒塌能力。