建筑结构抗倒塌分析方法

建筑结构抗倒塌分析方法

1. 梁艳明2.王志博

2. 1.身份证号码：21030319890405****

3. 2.身份证号码：210106199108251527

摘要：在近年来建筑产业的发展过程中，建筑倒塌问题愈发严重，受到了社会大众广泛的关注。建筑结构的倒塌可分为两种模式：建筑物侧向增量倒塌与竖向连续倒塌。本文论述了建筑结构倒塌概述。介绍了现有的连续倒塌研究方法，尤其是基于备用荷载路径的竖向非线性动力分析方法。为建筑结构整体抗震可靠度研究以及结构抗震性能评定与设计提供参考。

关键词：建筑结构；抗倒塌；分析方法

引言

建筑结构中出现的连续倒塌问题，主要是因为建筑体内部部分构件损坏，造成了水平、垂直方向上的连续性破坏，进而导致整个建筑结构出现倒塌问题。如果没有有效控制局部倒塌问题，将会造成连续倒塌事故，影响整个建筑体的安全性和稳定性。因此，在建筑工程施工过程中，必须要避免建筑体的连续倒塌问题，保证人们的生命财产安全。

1建筑结构倒塌概述

建筑物在强震下的倒塌破坏是造成人员伤亡和经济损失的主要原因。山地建筑结构由于其分阶嵌固的特点，其受力变形特征与普通平地结构的不同，汶川地震震害调查表明，山地建筑结构的抗倒塌设计是建筑结构抗震设计的薄弱环节，合理准确地评价山地建筑结构抗地震倒塌能力是综合评价结构抗震性能和抗倒塌设计的基础。结构倒塌失效是结构地震损伤演化的极限形态。由于建筑结构抗倒塌能力难以通过大量试验或数值模拟倒塌全过程实现，故一般采用建立倒塌判定准则的方式间接分析结构的抗倒塌能力。根据结构损伤指标的计算层次，倒塌判定准则可分为基于结构层次、基于子结构层次(层、1榀框架等)以及基于构件层次。基于结构层次的损伤指标可用于结构抗震性能的快速评估，但无法表征结构具体的损伤分布，缺乏准确性，例如定义极限基底剪力，或定义结构刚度的折减程度等结构层次的损伤指数；基于子结构层次的损伤指数可用于分析子结构的损伤分布规律，例如层间位移角可反映结构损伤沿楼层的分布，能相对全面地考虑结构整体抗震性能，我国抗震设计规范和抗倒塌设计规范均以弹塑性层间位移角作为“地震不倒”的判定指标；基于构件层次的损伤指标能提供相对详细的损伤分布，并能反映结构构件、楼层以及整体结构的损伤发展过程，然而建立构件性能与整体结构性能之间的过程尚需进一步研究。山地掉层结构地震震害以及拟静力试验均表明，由于结构沿高度方向存在刚度和强度的突变，上接地柱易率先发生屈服和破坏，导致该类结构在地震作用下体现出损伤集中于局部部位的特征。有关人士研究了位移指标在掉层结构抗震性能评估中的应用，结果表明基于构件的位移指标适用于掉层框架柱的抗震性能评估，然而基于楼层位移的抗震性能评估方法难以反映掉层结构的损伤状态。构建构件层次到结构层次的抗震性能评估方法是合理评价掉层结构抗震性能的关键。

2建筑结构抗倒塌有效措施

2.1防止连续倒塌的结构措施

针对建筑的连续倒塌问题，设计工作人员必须要从建筑结构的设计模式上来解决问题，不断提高建筑体的冗余度、延展性及整体性，以此来有效预防建筑连续性倒塌事故。①加强建筑体内部关键性部件的抗破坏能力。增强建筑体内部支撑构件抗破坏能力是最直接有效的方式。在设计过程中，需要重点增强建筑结构当中容易受到外部威胁，同时需要承担大量荷载的建筑构件，有效提高建筑体的整体抗破坏能力，将建筑体内部的局部破坏程度降到最低，以此来预防建筑体出现不良倒塌的问题。②增加结构及构件的冗余度。要不断提高建筑体结构构架的冗余度，通过转变建筑体的荷载传输路径来有效分担建筑体的外部荷载作用。建筑体连续倒塌事故发生时，建筑构件当中的原有结构会阻断在传输的路径，如果没有及时找到其他荷载传输路径，将造成建筑体的连续性倒塌。因此，设计人员需要提高建筑结构的冗余程度，在建筑局部产生不良破坏问题之后，可以通过余下的构件形成相应的应力传输路径，最大限度上降低建筑体出现连续性倒塌事故的概率。③增强建筑体的延展性。在建筑结构的设计工作中，保证建筑体具有良好的延展性、整体性及连续性，对建筑不同的构成环节进行合理区分，保证各个重点区域的结构彼此独立，将破坏限制在一个相对独立的范围内，其他没有受到破坏的区域能够保持稳定，有效地避免了建筑体的连续性倒塌问题。

2.2基于备用荷载路径的竖向非线性动力分析

一般而言，土木工程学界主要有四种分析建筑物结构的抗竖向连续倒塌能力的分析和研究方法，包括：线性静力方法和非线性静力方法，线性动力方法法和非线性动力方法。建筑物结构的抗竖向连续倒塌破坏设计采用复杂的非线性动力分析方法。最基本的方法是线弹性静力分析方法，但这种方法并不会去考虑荷载的动力效应和材料的非线性等条件；非线性静力分析方法就是众所周知的Pushover方法，而在竖向连续倒塌分析中则称为竖向Pushover分析法或者是Pushover分析方法，该方法考虑了建筑材料的非线性特征，但在结果整体评定上则会偏于保守；线弹性动力方法则考虑进了建筑物结构构件移除的实时性，没有把建筑材料及其几何非线性性能等因素纳入考虑，故而使得结构设计人员在分析建筑结构时，无法去考虑结构的较大变形以及非线性；而非线性动力分析方法不仅已经考虑了结构材料的非线性和建筑构件移除的实时性等因素，而且还囊括了建筑结构裂缝开裂以及结构能量的分布等其他因素。与在外部动应力下进行水平动力分析的情况不同的是，竖向非线性动力分析方法在应用于建筑物抗竖向连续倒塌的分析中并没有受到任何外部荷载的作用，其中建筑结构内部动力荷载是产生运动的主要诱因。假使建筑物结构在转移其中部分的构件后，其他建筑物结构在内部的动荷载作用下，仍然能够处在一个平衡稳定的状态，结构就不会发生竖向连续倒塌的情况。这里的竖向非线性动态分析是以正常有效载荷的状态作为起始状态。

2.3加强组合框架抗倒塌设计

①竖向连接构件的设计：由于在相同的楼层荷载作用下，直接影响区内各楼层的梁处于独立工作状态，因此不需要对竖向连接构件进行单独设计。当各楼层荷载相差较大，或各层梁截面面积有差异时，直接影响区的竖向连接构件则可能承担附加的拉力或者压力，应进行单独设计。②间接影响区构件的设计：失效柱所在跨（即直接影响区相邻的构件）应进行单独设计，尤其是直接提供水平约束的梁和柱，应考虑梁在拉弯共同作用下的设计，以及柱在压弯共同作用下的设计。③倒塌设计时结构的简化思路：对于层数较少的结构，可以采用本文提出的带有端部弹簧的双跨梁来模拟其柱失效后的响应。但对于涉及到较多边缘约束构件的结构，则不宜进行过多的简化，而应适当考虑边缘约束构件在能量耗散上的影响。关于边缘约束构件的参与程度仍需进一步研究。

结语

建筑结构的坍塌一直是建筑结构安全运行维护过程中的一个重要问题，世界各国各种建筑坍塌事故一直频繁出现，近些年国内外的典型建筑结构的倒塌事故，这些事故造成了巨大的生命财产损失，有的甚至造成了灾难性的后果。这些倒塌事故有一些是自然因素导致，有的是人为因素造成的，与建筑结构的设计和施工有关，是建筑物和构筑物安全运行维护的关键问题。因此，本文研究建筑结构抗倒塌方法对提升建筑结构的稳定性具有重要的意义。

参考文献

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