CN106934859A - 一种地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法 - Google Patents

一种地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及地铁施工安全管理技术领域，具体涉及一种地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，包括如下步骤：S1.建立隧道模型，构建建筑物框架模型，根据隧道模型与建筑物模型的相对位置，计算柱脚距离隧道中心的距离，并根据地表沉降公式计算得到建筑物的不均匀沉降量；S2.逐渐增大不均匀沉降量，计算不同的不均匀沉降量所对应的建筑所承受的附加内力值，直到建筑物倒塌的临界内力值；S3.将建筑物所承受的附加内力由小到大分别表现在建筑物框架中，得到建筑物框架的附加内力图；S4.构建建筑物倒塌的情景视频。本发明的地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，用以构建地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景。

Description

一种地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法
技术领域
本发明涉及地铁施工安全管理技术领域，具体涉及一种地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法。
背景技术
随着经济的快速增长，我国的交通运输也得到快速的发展，为了更好的缓解交通压力，很多城市已经修建了地铁，由于地铁起步较晚，使得很多地铁的建设都要下穿建筑物。地铁开挖使得地表产生沉降，造成上方建筑物受到损害。在地铁开挖或运营期间若隧道发生塌陷，将使隧道上方建筑物发生大面积倒塌，必将造成人员伤亡和财产损失。例如，在2015年6月25日，深圳地铁7号线7304-1标福皇盾构机施工区间发生坍塌，造成1人死亡，4人受伤。虽然此次事故并没有造成上方建筑物的倒塌，但我们应该防患于未然，想到事故的最坏结果，并作出相应的预案，把整个事故情景展示出来，并从历史事件中找到灾害的普遍规律，对预期风险做到全过程、全方位、全景观的系统的了解，这就需要我们在考虑地铁上方附近建筑物因隧道开挖受损时利用情景构建的方法分析建筑物倒塌的过程。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，用以构建地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案,一种地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，包括如下步骤：
S1.建立隧道模型，构建建筑物框架模型，根据隧道模型与建筑物模型的相对位置，计算柱脚距离隧道中心的距离，并根据地表沉降公式计算得到建筑物的不均匀沉降量；
S2.逐渐增大不均匀沉降量，计算不同的不均匀沉降量所对应的建筑所承受的附加内力值，直到建筑物倒塌的临界内力值；
S3.将建筑物所承受的附加内力由小到大分别表现在建筑物框架中，得到建筑物框架的附加内力图；
S4.构建建筑物倒塌的情景视频。
进一步地，步骤S1中构建地铁隧道的模型的参数包括地铁隧道轴线埋深为Z、隧道半径为R和隧道所处地质条件地层的内摩擦角
进一步地，步骤S1中建筑物框架为三层单榀单跨框架。
进一步地，步骤S1构建的三层单榀单跨框架的建筑物框架模型的参数包括建筑物的跨度H，梁的尺寸，柱的尺寸以及框架层高。
进一步地，步骤S2中附加内力值为不均匀沉降量对上部分框架柱产生的附加内力值。
进一步地，：所述附加内力值求解时，设定建筑物框架满足以下假设：
仅考虑材料的线弹性，不考虑非线性以及上下层梁之间的影响；
柱脚与基础、柱与梁之间全部为刚接；
1/3
各层柱的反弯点位置假设为：上层柱反弯点在柱的中间位置，底层柱反弯点在距柱脚1/3层高处；
不考虑框架水平侧移对内力的影响。
进一步地，步骤S2中根据不均匀沉降量求解附加内力值的过程为：
S21.根据构建的建筑物的框架模型，收集计算相关的参数；
S22.推导沉降刚度系数，所述沉降刚度系数为竖向沉降刚度系数，忽略柱脚转动刚度系数；
S23.计算建筑物的附加内力值。
进一步地，步骤S4中构建建筑物倒塌的情景视频的过程包括：
S41.绘制建筑物框架的三维模型，将建筑物框架的附加内力图分别附于建筑物框架的三维模型中；
S42.将建筑物的倒塌过程制作多个三维模型来展示建筑物的破坏情况；
S43.将附加内力图的建筑物三维模型和倒塌过程中的建筑物的三维模型输入视频制作软件中整理成视频
进一步地，步骤S41中绘制建筑物框架的三维模型的过程为：首先用CAD画图软件作出建筑物框架的平面图，再将平面图导进3Dmax中，通过选取边界进行拉出和拉伸调整，最后删掉多余单元形成建筑物框架的三维模型。
进一步地，步骤S41中将附加内力图附于建筑物的三维模型图中时，通过调整建筑物框架的附加内力图颜色的深浅来区分内力大小。
本发明的地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，通过构建地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景，用以将事故情景展示出来，对预期风险做到全过程、全方位、全景观的系统的了解，有利于找到灾难的普遍规律，并作出相应的预案。
附图说明
图1是出地铁隧道横断面的沉降曲线；
图2是建筑物与地铁隧道相对位置示意图；
图3是单榀单跨框架简图；
图4是不均匀沉降下框架的计算简图；
图5是本发明的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
地铁隧道上方建筑物倒塌的根本原因在于地铁修建期间隧道的开挖会使地表产生沉降变形，建筑物受到地表变形的影响，其受力情况将会发生变化，并由此产生附加内力，附加内力作用于建筑物构件上会使其产生更大的变形及开裂，当构件所受内力超过其极限内力值时，建筑物便会因变形过大或结构破坏发生倒塌事故。
因此，需要确定在地表不均匀沉降时建筑物内部的附加内力值，进而判断结构构件的内力是否超过其极限内力值，来判断建筑物是否会损坏或倒塌。为了计算结构的附加内力，首先需要计算地表因隧道开挖而产生的沉降值，当地质参数比如隧道半径、埋深以及地质条件等确定时，便可计算地表的沉降曲线，从而得到各点的沉降值，利用沉降差值确定不均匀沉降量，从而可根据不均匀沉降量计算结构附加内力。
首先分析和计算地铁施工引起地表沉降：
在隧道开挖过程中，由于地层损失将会导致地表的不均匀沉降，在此采用peck公式来计算因地层损失而产生的沉降量。
隧道施工时，实际开挖体积与竣工体积(竣工体积还包括隧道周边包裹的压入浆体)体积之间有一定误差而形感地层损失，开挖面土体向隧道断面移动，隧道断面收敛，从而形成地面沉降和倾斜。
施工期地表沉降采用Peck公式计算，其横向沉降曲线公式为
式中，Sx为横向地表沉降量；Vl为盾构隧道单位长度的地层损失量，Vl＝νlπR2；另则式(1)可写为x为地表距隧道中心线的水平距离；i为沉降槽宽度系数，Z为隧道轴线埋深,称为沉降槽宽度参数，主要取决于土性。根据伦敦地区的经验，普遍认为，对于无黏性土此值在0.2～0.3之间；对于硬黏土，约为0.4～0.5；而对于软的粉质黏土则可高达0.7。
由peck公式可计算出地铁隧道横断面不同位置的沉降值，由此可得出横断面的沉降曲线，如图1所示。
如图5所示为本发明的方法的流程图，首先是构建地铁隧道模型，包括地铁隧道轴线埋深为Z、隧道半径为R和隧道所处地质条件地层的内摩擦角计算地表不同位置的沉降量。
接下来构建三层单榀单跨框架的建筑物框架模型，包括建筑物的跨度H，梁的尺寸，柱的尺寸以及层高等参数确立隧道模型与建筑物模型的相对位置，计算柱脚距离隧道中心的距离，得到建筑物的不均匀沉降量。
地铁上方建筑物选为多层框架结构，建筑物位于地铁隧道一侧，如图2所示。由peck公式计算可知，偏离隧道越远，即x越大，地表的沉降值会越小，所以在建筑物整个跨度内，不同位置将会有不同的沉降量，因此建筑物基础将会发生不均匀沉降，进而会是结构内力发生变化，当内力变化超过建筑物的承载能力时，结构构件将会发生破坏，从而影响建筑物的安全。
以三层单榀单跨框架(如图3)为例来分析地表不均匀沉降时建筑物内力的变化。当柱脚发生相对沉降时，会对上部框架柱产生附加内力，所谓附加内力是区别于上部荷载在框架柱中产生的内力而言的，当地层沉降引起的框架柱中的附加内力作用于基础时，其又会阻止基础的不均匀沉降。上述步骤中所述附加内力值为不均匀沉降量对上部分框架柱产生的附加内力值，忽略附加内力对基础不均匀沉降的约束作用。
逐渐增大不均匀沉降量，计算不同的不均匀沉降量所对应的建筑所承受的附加内力值，直到建筑物倒塌。所述附加内力值求解时，设定建筑物框架满足以下假设：
(1)仅考虑材料的线弹性，不考虑非线性以及上下层梁之间的影响；
(2)柱脚与基础、柱与梁之间全部为刚接；
(3)各层柱的反弯点位置假设为：上层柱反弯点在柱的中间位置，底层柱反弯点在距柱脚1/3层高处；
(4)不考虑框架水平侧移对内力的影响。
根据不均匀沉降量求解附加内力值的过程为：
(1)根据构建的建筑物的框架模型，收集计算相关的参数；
当柱脚1和2发生相对沉降量Δ时，在上部框架柱内将会产生附加内力，计算内力前，
首先列出框架的有关参数如表1。
表1 材料相关参数
相关参数 跨度 层高 材料弹性模量 截面惯性矩 梁线刚度 柱线刚度
相应符号 L H Ec Ib(梁)、Ic(柱) ib icu(上柱)、icb(下柱)
表中，
(2)推导沉降刚度系数，所述沉降刚度系数为竖向沉降刚度系数，忽略柱脚转动刚度系数；
在计算框架因地基不均匀沉降产生附加内力时，首先定义框架沉降刚度系数，即框架发生相对单位位移时框架所产生的内力值，因此沉降刚度系数又可细分为竖向沉降刚度系数和柱脚转动刚度系数，竖向沉降刚度系数是指当柱脚发生竖向相对单位位移时所对应的内力，柱脚转动刚度系数是指柱脚发生单位转角时框架产生的内力，在此只考虑不均匀沉降时的附加内力，因此只对竖向沉降刚度系数做推导。
在计算梁柱内力时，为了计算简便，顶层柱线刚度计算时取下柱高的一半，即中层柱线刚度计算时分别取上下柱高的一半，即2(icu+icb)，底层柱线刚度计算时分别取上柱高的一半，下柱高的2/3，即计算简图如图4。
当柱脚1点产生位移为Δ的竖向沉降时，假设其转角为θ，用Mij表示梁端弯矩，Mizt表示顶层柱的弯矩，Mizm表示中间层柱的弯矩，Mizb表示底层柱的弯矩，弯矩以顺时针为正。则各杆端弯矩为：
梁端弯矩：
柱端弯矩：底层柱
中间层 M1zm＝6(icu+icl)θ1
M2zm＝6(icu+icl)θ2
顶层柱 M1zt＝6iclθ1
M2zt＝6iclθ2 (3)
节点1和节点2平衡，即∑M1＝0，∑M2＝0：
底层
中间层
顶层
令a,b取值如表2所示。
表2 系数a、b的取值
底层 中间层 顶层
a值 1 1 0
b值 3/4 1 1
根据上述推导，可得出构件对应的各内力刚度系数，如表3所示。
表3 不均匀沉降下各内力刚度系数
(3)计算建筑物的附加内力值。
用表中的刚度系数分别乘以与Δ有关的式子便可得到对应的内力值，梁端弯矩用表中系数乘以梁端剪力用表中系数乘以由此得到：
梁端弯矩
梁端剪力
剪力以顺时针为正。
由于不均匀沉降，在建筑物构件中会产生附加内力，根据上述推导可得出梁端和柱端附加弯矩，由于附加弯矩的作用，将会在梁、柱端产生附加剪力，梁端剪力又会使柱的轴力增加，每层柱的轴力最终都会传给底层柱，因此本文只考虑各层梁端剪力对底层柱的影响。
每层梁附加剪力在柱中产生的轴力值为，
式中δNij表示柱脚j下沉位移为Δ时梁端剪力对i柱产生的附加轴力，轴力以压为正，拉为负。
为了方便计算，可以根据上述的推导过程编制计算程序。
(1)计算参数的输入
通过上述推导可得到在地基不均匀沉降时结构构件附加内力的计算公式，在地铁隧道开挖时，可根据peck公式得到地表沉降槽曲线，所以在确定地层内摩擦角以及隧道半径R时便可计算出地表不同位置处的沉降量，不同位置的沉降差值即为不均匀沉降量，即Δ＝S1-S2。
①在计算程序中设定材料弹性模量Ec，以及惯性矩、线刚度等参数的计算公式
②确定建筑跨度L、建筑层高H以及梁柱截面尺寸b×h，输入时便可利用所设定公式以及上述表2对a、b的取值计算出α的值
③在实际计算中只需输入顶层、中间层或底层等信息来匹配不同层号对应的α值，根据表3计算构件内力刚度系数，由此便可根据上述推导计算出结构的附加内力值。
(2)在计算程序中建立公式
Δ＝S1-S2 (b)
通过计算程序a～j以及输入参数H、L、b×h，便可输出计算结果。
根据前面的建模过程和计算程序可计算出建筑物模型的内力变化值和变形后的总内力值，视为附加内力值，若变形后附加内力值仍未达到建筑物所承受的极限内力值，则建筑物仍处于安全范围内，但其裂缝及挠度会因此增加。将不均匀沉降值Δ增大，直至附加内力值超过建筑物所承受的极限内力值，此时建筑物构件破坏，建筑物倒塌。
将建筑物所承受的附加内力由小到大分别表现在建筑物框架中，随着建筑物附加内力值的不断增大，建筑物框架挠度不断增加，与此同时框架裂缝也不断扩展，根据不同的附加内力值，得到建筑物框架的附加内力图；绘制建筑物框架的三维模型，将建筑物框架的附加内力图分别附于建筑物框架的三维模型中。将附加内力图附于建筑物的三维模型图中时，通过调整建筑物框架的附加内力图颜色的深浅来区分内力大小。
将建筑物的倒塌过程制作多个三维模型来展示建筑物的破坏情况。然后将附加内力图的建筑物三维模型和倒塌过程中的建筑物的三维模型输入视频制作软件中整理成视频。用以将事故情景展示出来，对预期风险做到全过程、全方位、全景观的系统的了解，有利于找到灾难的普遍规律，并作出相应的预案。

Claims (10)

1.一种地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.建立隧道模型，构建建筑物框架模型，根据隧道模型与建筑物模型的相对位置，计算柱脚距离隧道中心的距离，并根据地表沉降公式计算得到建筑物的不均匀沉降量；
S2.逐渐增大不均匀沉降量，计算不同的不均匀沉降量所对应的建筑所承受的附加内力值，直到建筑物倒塌的临界内力值；
S3.将建筑物所承受的附加内力由小到大分别表现在建筑物框架中，得到建筑物框架的附加内力图；
S4.构建建筑物倒塌的情景视频。
2.根据权利要求1所述的地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，其特征在于，步骤S1中构建地铁隧道的模型的参数包括地铁隧道轴线埋深为Z、隧道半径为R和隧道所处地质条件地层的内摩擦角
3.根据权利要求1所述的地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，其特征在于，步骤S1中建筑物框架为三层单榀单跨框架。
4.根据权利要求3所述的地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，其特征在于，步骤S1构建的三层单榀单跨框架的建筑物框架模型的参数包括建筑物的跨度H，梁的尺寸，柱的尺寸以及框架层高。
5.根据权利要求4所述的地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，其特征在于：步骤S2中附加内力值为不均匀沉降量对上部分框架柱产生的附加内力值。
6.根据权利要求5所述的地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，其特征在于：所述附加内力值求解时，设定建筑物框架满足以下假设：
(1)仅考虑材料的线弹性，不考虑非线性以及上下层梁之间的影响；
(2)柱脚与基础、柱与梁之间全部为刚接；
(3)各层柱的反弯点位置假设为：上层柱反弯点在柱的中间位置，底层柱反弯点在距柱脚1/3层高处；
(4)不考虑框架水平侧移对内力的影响。
7.根据权利要求6所述的地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，其特征在于：步骤S2中根据不均匀沉降量求解附加内力值的过程为：
S21.根据构建的建筑物的框架模型，收集计算相关的参数；
S22.推导沉降刚度系数，所述沉降刚度系数为竖向沉降刚度系数，忽略柱脚转动刚度系数；
S23.计算建筑物的附加内力值。
8.根据权利要求1所述的地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，其特征在于：步骤S4中构建建筑物倒塌的情景视频的过程包括：
S41.绘制建筑物框架的三维模型，将建筑物框架的附加内力图分别附于建筑物框架的三维模型中；
S42.将建筑物的倒塌过程制作多个三维模型来展示建筑物的破坏情况；
S43.将附加内力图的建筑物三维模型和倒塌过程中的建筑物的三维模型输入视频制作软件中整理成视频。
9.根据权利要求1所述的地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，其特征在于，步骤S41中绘制建筑物框架的三维模型的过程为：首先用CAD画图软件作出建筑物框架的平面图，再将平面图导进3Dmax中，通过选取边界进行拉出和拉伸调整，最后删掉多余单元形成建筑物框架的三维模型。
10.根据权利要求1所述的地铁施工引起上方建筑物倒塌的情景构建方法，其特征在于：步骤S41中将附加内力图附于建筑物的三维模型图中时，通过调整建筑物框架的附加内力图颜色的深浅来区分内力大小。
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