CN114065346A - 一种爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法 - Google Patents

一种爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法，包括如下步骤：S1、确定爆炸下钢结构倒塌分析时，考虑损伤的梁、板构件的范围；S2、根据爆炸下梁板子结构抗倒塌能力折减系数理论计算公式，结合抗力等效原则，得出爆炸场景下钢结构梁、板损伤模拟方法；S3、建立钢结构连续倒塌分析模型，评估结构的抗连续倒塌性能。本发明所述的爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法能相对准确且高效的评估预测钢结构建筑在爆炸荷载作用下抗连续倒塌性能，为工程实际中的建筑抗倒塌性能的评估、改造提升提供技术支撑。

Description

一种爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法
技术领域
本发明属于建筑物倒塌评估预测技术领域，尤其是涉及一种爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法。
背景技术
高层、超高层建筑常采用钢结构作为主体结构，但此类钢结构建筑往往集多种功能为一体，人员流动性大，一旦发生连续倒塌破坏，将造成重大的人员伤亡及经济损失。爆炸是造成建筑结构发生连续倒塌的重要原因之一，爆炸荷载作用下建筑结构的连续倒塌是一个非常复杂的非线性过程，当前研究主要是采用替代传力路径法来分析评估建筑结构的抗倒塌性能，该方法的优点是仅分析已移除承重构件的剩余结构的行为响应，适用性较广，但由于该方法不能反应爆炸荷载与结构间的相互作用及对移除柱周围构件的影响，其得到的结果可能与实际情况有所差别，偏于危险。直接模拟法虽能考虑真实爆炸荷载与结构间的作用过程，但需要建立详细的炸药、空气和结构模型，计算效率低且对计算机要求高，不适用于工程实际。因此，有必要提出考虑爆炸与结构间相互作用的钢结构连续倒塌评估预测方法，准确且相对高效的对钢结构建筑的抗倒塌性能进行评估。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有替代传力路径法和直接模拟法在钢结构建筑抗连续倒塌性能评估时的不足，本发明旨在提出一种爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法，以解决目前倒塌分析常用的替代传力路径法无法反映爆炸荷载与建筑结构间的相互作用过程，使得其倒塌评估结果与实际情况有一定差异，准确度有待提高，直接模拟法需要建立复杂的计算模型，耗费大量的计算资源，效率低、不适用于工程实际等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法，包括如下步骤：
S1、确定爆炸下钢结构倒塌分析时，考虑损伤的梁、板构件的范围；
S2、根据爆炸下梁板子结构抗倒塌能力折减系数理论计算公式，结合抗力等效原则，得出爆炸场景下钢结构梁、板损伤模拟方法；
S3、建立钢结构连续倒塌分析模型，评估结构的抗连续倒塌性能。
进一步的，步骤S1的具体方法如下：
确定钢结构中爆炸场景下的失效柱，与失效柱相连接的梁、板构件均属于需要考虑损伤的构件范围内。
进一步的，步骤S2的具体方法如下：
创建框架局部分析模型，利用理论公式计算出爆炸下梁板子结构的抗力折减系数，利用计算出的抗力折减系数对局部分析模型中材料的强度和弹性模量参数进行折减，进而对局部分析模型进行非线性静力分析，得到局部分析模型结构的抗力曲线，并与未进行参数折减的局部分析模型非线性静力分析结果进行对比，得到宏观模型的抗力折减系数，通过与理论公式计算的折减系数进行比较，判断出需要进行材料折减系数修正的板或板与梁构件以及修正范围，并通过模拟计算得到折减系数的具体修正方法及计算式，建立基于材料参数折减与折减系数修正的爆炸场景下框架梁板损伤简化模拟方法。
进一步的，利用LS-DYNA显式动力有限元分析软件创建框架局部分析模型，其中，钢梁、钢柱采用beam梁单元模拟，钢筋混凝土板采用shell壳单元模拟。
进一步的，步骤S3中，利用LS-DYNA显式动力有限元分析软件，结合多尺度的建模方法，建立钢结构连续倒塌分析模型；
其中，钢梁、钢柱采用Beam单元模拟，钢筋混凝土板采用分层shell单元模拟，节点采用宏观单元模拟。
进一步的，步骤S3的具体方法如下：
钢结构连续倒塌分析模型创建后，根据步骤S1和设定的工况，确定考虑爆炸场景下损伤的梁、板构件，使用步骤S2中爆炸场景下钢结构梁、板损伤模拟方法对梁、板构件性能进行折减，随后移除工况设定的失效柱，对剩余结构进行非线性动态分析，评估预测钢结构的抗连续倒塌性能。
相对于现有技术，本发明所述的爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法具有以下优势：
(1)本发明所述的爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法，能相对准确且高效的评估预测钢结构建筑在爆炸荷载作用下抗连续倒塌性能，为工程实际中的建筑抗倒塌性能的评估、改造提升提供技术支撑。
(2)本发明所述的爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法，与传统替代传力路径法相比，一方面考虑了爆炸荷载与结构的相互作用，将爆炸对梁、板构件造成的损伤引入了连续倒塌分析，提高了倒塌评估的准确度，另一方面与直接模拟法相比提高了计算效率，实现了相对准确且高效地对钢结构建筑的抗倒塌性能进行评估与预测。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的结构倒塌分析时考虑爆炸下损伤的梁板构件范围的示意图；
图2为本发明实施例所述的框架局部分析模型图；
图3为本发明实施例所述的钢框架倒塌分析模型图；
图4为本发明实施例所述的失效柱顶节点竖向位移时程曲线对比图；
图5为本发明实施例中利用本发明模拟得到的框架倒塌模式图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法，首先确定在结构倒塌分析时考虑爆炸下损伤的梁、板构件范围；然后根据爆炸作用下梁板子结构抗倒塌能力折减系数理论计算公式，结合抗力等效原则，提出爆炸下钢框架梁板损伤简化模拟方法；最后建立钢结构倒塌高效分析模型，基于上述方法引入爆炸下梁板损伤，并结合替代传力路径法开展结构动力分析，进而评估结构的抗连续倒塌性能，具体包括如下步骤：
(1)首先确定结构倒塌分析时考虑爆炸下损伤的梁、板构件范围，即与爆炸下失效柱相连接的梁、板构件，均考虑其在爆炸作用下的损伤：如框架底部边柱失效时，考虑爆炸损伤的构件为与柱相连的左右两侧纵梁、一根横梁以及柱两侧的楼板，如图1(a)所示；当框架底部角柱失效时，考虑爆炸损伤的构件为与柱连接的各1根纵、横梁及角部楼板，如图1(b)所示；当框架底部中柱失效时，考虑爆炸损伤的构件为与柱连接的四周各2根纵、横梁以及相邻的4块楼板，如图1(c)所示；若多根柱发生失效破坏，受损构件范围的确定方法亦同上，如两根相邻边柱失效，考虑爆炸损伤的构件为与两柱相连的3根纵梁、2根横梁及3块楼板，如图1(d)所示。
(2)根据爆炸下梁板子结构倒塌抗力折减系数的理论计算公式，根据抗力等效原则，建立爆炸下钢框架梁板损伤简化模拟方法，具体为采用框架结构的局部分析模型，利用理论公式计算出的抗力折减系数对模型中材料的强度和弹性模量等参数进行折减，对局部分析模型进行非线性静力分析，通过比较宏观模型得到的抗倒塌能力折减系数值与上述理论值，判断出需要进行材料折减系数修正的板或板与梁构件，进而通过模拟计算提出折减系数的修正方法，建立基于材料参数折减与折减系数修正的爆炸下框架梁板损伤简化模拟方法，从而将爆炸下梁板损伤引入钢结构连续倒塌分析。
(3)利用多尺度的建模方法建立钢结构的高效分析模型，对根据工况确定的需考虑爆炸下损伤的梁板构件，使用上述的损伤简化模拟方法对其性能进行折减，随后移除工况设定的失效柱，对剩余结构进行非线性动态分析，来评估预测钢结构的抗连续倒塌性能。当失效柱顶的竖向位移不能达到最终稳定时，则认为钢结构建筑发生了连续性倒塌。
下面结合具体示例，对本发明的内容做进一步说明：
采用本发明提出的方法和替代传力路径法分别对1个8层钢框架进行连续倒塌分析。钢框架为5×5跨，纵向跨度为9.0m、横向跨度为6.0m，典型开间尺寸为9.0×6.0m。框架共8层，每层高度为4.0m。钢框架的钢梁采用356×171×51UB，外围钢柱采用305×305×137UC，内部钢柱采用305×305×198UC，钢筋混凝土板厚度为120mm，板内钢筋直径为12mm、间距为200mm。混凝土的抗压强度为35MPa，钢梁柱使用的钢材屈服强度为355MPa。
步骤1：首先确定结构倒塌分析时考虑爆炸下损伤的梁、板构件范围。本实施例模拟类似汽车炸药爆炸对钢框架的影响，认为在爆炸作用下中间相邻的3根边柱被破坏，根据梁、板损伤范围的划定标准，确定爆炸下受损的构件为与3根失效柱相连的4根纵梁、3根横梁以及4块钢筋混凝土板。
步骤2：采用但不限于LS-DYNA显式动力有限元分析软件建立框架局部分析模型，如图2所示，钢梁、钢柱采用但不限于beam梁单元模拟，钢筋混凝土板采用但不限于shell壳单元模拟。利用理论公式计算出的梁板子结构抗力折减系数，对钢梁和钢筋混凝土单元使用的材料模型中材料的强度和弹性模量等参数进行折减，进而对局部分析模型进行非线性静力分析，得到模型结构的抗力曲线，并与未进行参数折减的局部模型非线性静力分析结果进行对比，得到模型计算得到的抗力折减系数，通过与理论公式计算的折减系数进行比较，判断出需要进行材料折减系数修正的板或板与梁构件以及修正范围，进而通过模拟计算得到了折减系数的具体修正方法及计算式，建立了基于材料参数折减与折减系数修正的爆炸下框架梁板损伤简化模拟方法。
步骤3：采用但不限于LS-DYNA显式动力有限元分析软件，利用多尺度的建模方法，即钢梁、钢柱采用但不限于Beam单元模拟，钢筋混凝土板采用但不限于分层shell单元模拟，节点采用但不限于宏观单元模拟，建立了钢框架连续倒塌高效分析模型，如图3所示。对步骤1确定的考虑爆炸损伤的梁、板构件，使用步骤2建立的损伤简化模拟方法对其性能进行折减，将爆炸荷载与结构相互作用而产生的梁、板构件损伤引入结构连续倒塌分析。然后，将与角柱相邻的3根边柱直接从模型中移除，对剩余结构进行非线性动态分析，通过分析失效柱顶节点的竖向位移是否最终能趋于稳定，来评估结构的抗倒塌性能。
步骤4：对于替代传力路径法，按照步骤3的建模方法直接建立整个框架结构的连续倒塌分析模型，然后移除上述与角柱相邻的3根边柱，对剩余结构进行非线性动态分析，通过分析失效柱顶节点的竖向位移是否最终能趋于稳定，来评估结构的抗倒塌性能。
本发明提出方法和替代传力路径法得到的控制节点的竖向时程曲线，如图4所示，对比两种方法的计算结果发现，使用替代传力路径法得到的失效柱顶节点变形最终趋于稳定，说明框架结构并未发生连续倒塌。然而，使用本发明提出的方法得到的失效柱顶节点变形最终未趋于稳定，说明在考虑了爆炸与结构相互作用、梁板构件产生损伤的条件下，框架结构会发生连续性倒塌，如图5所示，验证了目前常用的替代传力路径法在进行结构倒塌评估时是偏于不安全的，而本发明提出的方法能提高评估的准确性。
此外，与直接模拟法需要建立详细的炸药、空气和结构模型，建模工作复杂、模型单元量巨大，以及模型计算时间需要数天甚至更久相比，本发明提出方法的建模工作量小，单元数量较少，模型计算时间仅需约4小时，大大提高了计算效率，适用于工程实际。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、确定爆炸下钢结构倒塌分析时，考虑损伤的梁、板构件的范围；
S2、根据爆炸下梁板子结构抗倒塌能力折减系数理论计算公式，结合抗力等效原则，得出爆炸场景下钢结构梁、板损伤模拟方法；
S3、建立钢结构连续倒塌分析模型，评估结构的抗连续倒塌性能。
2.根据权利要求1所述的爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法，其特征在于：步骤S1的具体方法如下：
确定钢结构中爆炸场景下的失效柱，与失效柱相连接的梁、板构件均属于需要考虑损伤的构件范围内。
3.根据权利要求1所述的爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法，其特征在于：步骤S2的具体方法如下：
创建框架局部分析模型，利用理论公式计算出爆炸下梁板子结构的抗力折减系数，利用计算出的抗力折减系数对局部分析模型中材料的强度和弹性模量参数进行折减，进而对局部分析模型进行非线性静力分析，得到局部分析模型结构的抗力曲线，并与未进行参数折减的局部分析模型非线性静力分析结果进行对比，得到宏观模型的抗力折减系数，通过与理论公式计算的折减系数进行比较，判断出需要进行材料折减系数修正的板或板与梁构件以及修正范围，并通过模拟计算得到折减系数的具体修正方法及计算式，建立基于材料参数折减与折减系数修正的爆炸场景下框架梁板损伤简化模拟方法。
4.根据权利要求3所述的爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法，其特征在于：利用LS-DYNA显式动力有限元分析软件创建框架局部分析模型，其中，钢梁、钢柱采用beam梁单元模拟，钢筋混凝土板采用shell壳单元模拟。
5.根据权利要求1所述的爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法，其特征在于：步骤S3中，利用LS-DYNA显式动力有限元分析软件，结合多尺度的建模方法，建立钢结构连续倒塌分析模型；
其中，钢梁、钢柱采用Beam单元模拟，钢筋混凝土板采用分层shell单元模拟，节点采用宏观单元模拟。
6.根据权利要求1所述的爆炸场景下钢结构建筑倒塌评估预测方法，其特征在于：步骤S3的具体方法如下：
钢结构连续倒塌分析模型创建后，根据步骤S1和设定的工况，确定考虑爆炸场景下损伤的梁、板构件，使用步骤S2中爆炸场景下钢结构梁、板损伤模拟方法对梁、板构件性能进行折减，随后移除工况设定的失效柱，对剩余结构进行非线性动态分析，评估预测钢结构的抗连续倒塌性能。
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