基于建筑结构倒塌模拟的防倒塌设计

时间：2024-04-24

梁均盛

（广东蓬江建筑设计院有限公司，广东江门 529000）

实际的建筑结构倒塌模拟与分析不仅要针对于倒塌前的状态，而且要从建筑结构倒塌的整个过程入手，通过观察建筑结构倒塌的整个过程来分析倒塌成因，对此则需要从建筑结构的主体构件，混凝土结构、砌体结构两大方面出发来模拟其倒塌数值，并采用图形仿真技术，对结构倒塌提供形象、逼真的图形模拟，进而为抗倒塌设计提供科学的依据。

1 建筑结构倒塌模拟

1.1 混凝土结构倒塌模拟

（1）结构部件的破坏原理

混凝土结构倒塌始于内部重要构件坍塌后带来的关联性塌陷。对此需要明确构件的破坏原理，建筑物爆炸受损的一霎，将带来极大的冲击荷载，以试验方式分析了钢混结构部件爆炸荷载冲击下的破坏特点，通过试验结果检验了构件受损、受破坏的相关数值，同时，模拟墙体、根柱的数值，采用能量法得出了墙构件、柱构件因为受到爆炸荷载影响后产生的破坏渐近线，如下图1 所示。

当某一爆炸荷载点出现在红色破坏渐近线的左上方时，意味着此结构部件将受损。

（2）结构倒塌模拟

关键性的结构部件受损后，此结构则可能发生坍塌，具体可以从平面、空间两个角度模拟分析。平面角度剖析钢混框架构造坍塌时，可以把其梁柱结构离散为几个刚体，从法向、切向与受弯几大弹簧单元来分析不同刚体间的受力状态。也就是当某一关键结构部件受损，则会从整个建筑结构中踢掉，具体则要分析此动作对余下的结构形成的动力效应。

1.2 地震力下的结构倒塌模拟

（1）混凝土框架构造

根据离散结构图，可以将三维拉、压弹簧组设置于单元链接位置，同时，引进单轴混凝土弹簧滞回模型、钢筋弹簧力滞回模型。同样借助离散单元法来深入分析地震力对混凝土结构的破坏，模拟结构倒塌整个经过，经过试验结构得出：数值模拟法能提供高精度的试验结果。

（2）砌体结构

不同于混凝土构造，砌体结构发生倒塌时，不仅无法保持连续，而且局部形状会大变，而且砂浆强度通常较板材自身弱，从而使得砂浆灰缝内有大量的裂缝产生，对此应尝试把砌体结构想成无法变形的砌块合体，对应创建一个三维离散元模型，见图2 所示。

不同块体间凭借砂浆来彼此协调，弹簧的本构模型如下图3。同样选择离散单元法能够对结构倒塌的全过程加以模拟，试验数据的结果证明模拟程度较好。

1.3 结构倒塌过程的图形仿真

建筑结构倒塌整个过程中的相关数据、数值等可以通过图形来仿真、呈现。要想达到对建筑工程结构的多维度地震力作用探究，则可以依赖于结构图形建模技术，呈现出结构倒塌的清晰的三维结构图。

（1）三维结构图建模

利用OpenGL 可以借助数据文件、交互图形界面等形成一个三维结构图，通过参照数据文件内部的相关数据、信息则能够把对象根据其形状大小等清晰地出现在虚拟空间坐标系，并根据现实的方向来转动，最终根据形心坐标对应转移至合适的部位。各个单元都采取相似的程序操作，而且要妥善处理消隐技术，最终就能获得一个完整的以及细微环节的三维模型。

（2）三维动画呈现结构变形

建筑结构倒塌时要通过三维动画来呈现，对此可以借助此软件的双缓冲功能，接连持续地呈现图形，并动态地展示出来，这样就能全面、真实地结实数据计算结果，也能达到对建筑工程结构崩溃的三维展示，为建筑工程结构的防倒塌设计提供依据。

2 建筑结构防倒塌设计

建筑工程结构倒塌主要包括两大形式：整体破坏导致的全盘倒塌以及局部破坏造成的连续性倒塌。其中前者的预防倒塌设计只是从理论上本着大震不倒的方向，然而，却缺少科学的依据和计算。后者的防倒塌设计则选择两大方法：第一，以明确的突发性灾害所带来的偶然荷载，对应的结构反应加以设计，属于常规性设计。第二，忽略灾难的荷载与外力，关注自身结构是否牢固、结实而形成的结构设计。如果是混凝土构造，通常选择替代荷载路径法，也就是人为地除掉混凝土结构中的核心结构部件，并分析余下的构造有无连续倒塌的可能。具体的防倒塌设计流程大致为：

第一，常规设计，创建结构模型，明确承重构件去除工况，对各个去除工况添加荷载组合。

第二，检查构件有效与否。当构件有效则要完成加载，相反，若构件无效则要排除那些无效构件，而且要将此构件的自重添入下层对应部位。

第三，完成加载，并检查结构破坏范围超限与否，如果超限则意味着未达到抗倒塌设计的标准，则要再次设计结构，相反，如果结构破坏范围未超限，则此防倒塌设计正常通过。

第四，最后还要检查有无未验算的工况，没有未验算工况则可以结束设计，相反，存在未验算的工况，则要除掉此工程施加的荷载组合。

替代荷载路径的设计法有效克服了不同作用力之下所带来的不定性与复杂性，属于现阶段建筑工程抗连续倒塌设计最常见的方法之一。