海门市轻工建筑安装工程有限责任公司
【摘 要】随着经济发展，建筑行业进入了前所未有的繁荣时期，建筑工程的质量也越来越受到人们的重视。在建造过程中，施工单位为了获取建筑物倒塌过程的相关数据，会对建筑结构倒塌过程进行模拟，并根据获得的数据进行建筑物防倒塌设计。本文主要对建筑结构倒塌进行模拟，并根据所得数据进行防倒塌设计，希望可以对参阅人员起到一定的参考作用。
【关键词】建筑结构倒塌；过程模拟；倒塌设计
建筑结构在投入使用后，会受到来自不同方向的作用力如：空气冲击、地震、人为爆破等。当作用力超过建筑物最大承载力时，建筑结构就会发生变形，最终导致建筑结构出现部分或全部倒塌的现象。除此之外还有一部分建筑由于功能无法满足实际需求，不得不进行拆除，在实施爆破前，要预先对建筑结构倒塌过程进行模拟，以便做好倒塌防护等工作。
一、建筑结构倒塌过程模拟方法
倒塌过程与一般的弹塑性力学行为相比具有介质不连续、强非线性等特点，由于结构动力反应极其复杂，作用力和荷载力无法实现精确计算，结构倒塌结果很难通过理论分析的方法获得准确数据。而通过结构实验等方法，则会消耗大量的人力和物力，无法大规模推广，应用次数有限。因此，在建筑结构倒塌模拟过程中往往采用数值模拟的方法。目前应用较为广泛的数值方法有离散单元法和有限单元法两种。
（一）有限单元法
有限单元法主要应用于建筑结构的弹塑性和弹性分析。在数值计算上可以直接应用隐式的直接积分法或显式的中心差分法。在用隐式的直接积分法计算建筑结构倒塌数据时，可能会带来“负刚度”的问题，使计算数据与实际收据有所偏差。显式的中心差分法与隐式的直接积分法相比，减少了隐式的直接积分法所涉及到的刚度求逆运算，也由此避免了“负刚度”的问题，更适合对结构进行非线性分析。有限单元法是以网格的单元划分技术为基础的数值计算方法。在网格发生严重变形后或实体单元、连接单元较为复杂时，有限单元法的数据将会出现较大偏差。
（二）离散单元法
与有限单元法不同的是离散单元法是典型的连续介质数值方法，离散单元法的应用范围较广，不限定变形协调和位移连续等条件，离散单元法允许各单元之间碰撞和相对移动，在计算建筑物倒塌过程数据中具备较大的优势，适用于解决大变形和大位移等非连续性的介质。离散单元法将各连续体或不连续体整合为一个刚性单元集合，各单元均满足牛顿第二定律。在求解各刚性单元直接的连续方式时可以采取显式的动态松驰方法，求得整个离散的单元体之间的运动形态。离散单元法可以广泛的应用于单元连接、方程求解、结构离散、碰撞处理等问题。
建筑结构的离散形式较多，在计算过程中为考虑楼板在倒塌过程中作用可将结构离散为板-柱离散体系。单元分离前连接在一起的单元在分离后可能会在相互之间发生碰撞，离散单元之间的力学行为主要借助块体和杆段之间的弹簧单元实现。因此弹簧单元模型是应用离散单元法模拟建筑构造倒塌的重要方法之一，实验证明，弹簧单元模型虽然结构精细，但在使用过程中，计算繁琐，工作量较大。目前应用较为广泛的是多尺度研究方法，即直接将倒塌数据分析立足于界面上的弹簧单元模型。结构离散之后，离散单元之间相互作用，从而导致整体结构的变形和运动。当结构发生大变形时，如果建筑结构的构建突然断开，构建有可能会发生坠落并出现碰撞现象。对碰撞问题的结构分析方法可以分为动能损耗系数发、碰撞恢复因数法和准静态接触分析法。
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二、局部爆炸时混凝土框架结构倒塌过程探究
（一）构建破坏准则
建筑物关键构件失效后容易引发建筑结构整体坍塌，因此，在对局部进行爆破时要注意建立构建破坏准则，当建筑结构内部发生爆炸时，瞬间冲击急速增大，产生巨大的冲击力，有可能会影响整体建筑结构稳定。
（二）建筑结构整体倒塌过程
在关键构件失效后，结构整体的承载力无法支撑整个建筑结构的重力，从而发生倒塌。在进行数据分析时，可以通过离散单元分析法对整体结构进行平面或空间分析。在对整个钢筋混凝土框架结构进行平面的数据分析时，可以将建筑结构的梁柱分解成刚体单元，并利用弹簧单元模型来表示个结构的受力情况。构建失效后，要将此构件对其余构件造成的动力效应去除。在对框架结构进行平面分析时，由于结构简单，主体结构破坏模拟分析时经常应用框架结构，但是由于结构单一，无法准确描述楼板对整个倒塌过程的影响。通过对倒塌过程的实例研究分析，楼板与结构倒塌有很大的关系。为了详细表述楼板对倒塌作用的影响，需要开发功能更为强大的分析方法[1]。
三、地震作用下的结构倒塌过程分析
砌体结构与混凝土结构相比具有不连续、大变形的特点，除此之外，砌体结构的砂浆强度也较块材本身的强度低，因此在实际应用中可能会在砂浆灰缝中出现裂缝，在数据计算时可以将砌体结构合理的抽象为不可变形的块体，并建立三维模型。
四、结构防倒塌设计
（一）设计方法论述
结构倒塌过程模拟的目的主要是为了根据所得数据进行结构防倒塌设计。根据外界作用力不同，可以将结构倒塌分为整体倒塌和局部倒塌两种，二者相比较而言，局部倒塌的设计过程更为复杂，目前，国内外的一部分建筑虽然在设计过程中加入了一定的防倒塌设计因素，但在精确计算到他数据上仍存在一定的盲区。目前，局部防倒塌设计的设计方法主要有两种：一是在意外灾害较为确定的情况下，对倒塌过程进行模拟，获取相关数据，并制定相应的防倒塌设计规范。二是在不考虑外界伤害和承载力的情况下，只专注于加强结构本身的牢固性的设计方法[2]。对于混凝土框架结构而言，最常见的是替代荷载路径法，此方法的含义是，人为地去除建筑结构的关键构件，观察其余构件是否会发生连续倒塌现象。替代荷载法在一定程度上减少了复杂性和不确定性，是目前防倒塌设计中最常见的方法之一。
（二）替代荷载路径法的改进
现阶段，许多国家的制定编纂了建筑结构防倒塌设计规范。替代荷载路径法就是最常用的方法之一，此方法的优点是操作简单、缺点是计算繁琐工作量大。另外由于荷载路径法出现的时间较短，在理论基础、构建准则、计算方法等方面仍需进一步完善。研究数据表明，采用不同的计算方法来对同一建筑结构倒塌行为进行分析，得到的数据都有差异。
目前我国的一些研究机构也在积极的探索新方法来替代荷载路径法，主要研究结果有：1、计算方法，计算方法主要是指在对建筑结构倒塌分析时增加几何非线性因素，可以较好的弥补设计中塑性铰模型的不足。2、结构破坏准则，对原有的结构破坏准则进行了改进，即假设钢筋弯折超过10%后发生断裂。原有的混凝土框架结构按照我国现行的混凝土结构规范进行设计加固时，无法满足实际需要[3]。
与其他常规设计相比，建筑结构防倒塌设计方法出现的时间较晚，理论方法发展并不成熟，建筑建构的参数对防倒塌的影响以及防倒塌理论设计方法等仍需进一步研究。
结语：
综上所述，建筑结构房倒塌过程模拟对于构建良好的防倒塌设计方法有着极其重要的意义，在实际工作中，要根据建筑结构特点采取符合要求的模拟方法。结构空间倒塌反映数值模拟可以较好的对倒塌过程的构件断裂顺序进行分析，并获取各类结构的倒塌机理。为提高数据准确率，应对建筑倒塌过程的各项数据进行深入研究。目前，我国的建筑结构防倒塌设计工作仍处在刚起步的阶段，设计方法还需进一步发展，并逐步建立我国自有的设计规范。
参考文献：
[1]顾祥林，印小晶，林峰，王婷.建筑结构倒塌过程模拟与防倒塌设计[J].建筑结构学报.2010,（6）:179-180
[2]耿建彬，曾志兴.建筑结构抗连续倒塌的分析方法及控制设计[J].福建建筑.2011,（5）:45-47
[3]杨怡.钢筋混凝土结构防倒塌的分析设计方法[J].2014,（8）:45-46
论文作者:张洪飞
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第19期
论文发表时间:2016/8/19
标签：建筑结构论文; 单元论文; 结构论文; 方法论文; 过程论文; 数据论文; 荷载论文; 《低碳地产》2015年第19期论文;