建筑结构在冲击负载作用下连续倒塌分析方法
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抗连续倒塌设计方法抗连续倒塌设计方法摘要:在地震发生后,建筑结构承受的地震作用所产生的动态反应,会对建筑结构的延展性和刚性造成巨大的破坏,进而致使结构倒塌。
在建筑结构设计和施工中,抗连续倒塌设计应成为重要问题之一,本文从抗连续倒塌的概念、理论、实现方法和例子等方面进行探讨。
关键词:抗连续倒塌;地震;结构设计;施工;例子1. 概念抗连续倒塌是指建筑结构在地震作用下不仅能够承受动态反应所带来的荷载,还能够保持结构连续性,避免结构细部损伤和倒塌。
2. 理论抗连续倒塌理论的基础是连续性规划理论,该理论认为,建筑结构中各构件之间的连续性是保持结构完整性和稳定性的关键因素。
在设计和施工时,应重点考虑如何提高结构的连续性,防止结构的断裂和倒塌。
3. 实现方法3.1 结构设计在结构设计中,应通过以下几个方面提高结构的连续性。
3.1.1 改善结构的刚性:提高结构的刚性意味着提高结构的抗震性能,减轻结构在地震中的振动对结构的破坏。
3.1.2 提高结构的延展性:结构的延展性是指结构在受到地震荷载时能够承受一定的位移和变形,进而减少结构的应力和损伤。
3.1.3 合理设计结构连接部位:连接部位是结构中最容易发生断裂和倒塌的地方,在连接部位的设计上应加强结构的连续性和稳定性。
3.1.4 采用低刚度层结构:低刚度层结构是一种新型的结构设计方法,通过在结构中设置柔性层,来提高结构的延展性和抗震能力。
3.2 施工在施工中,应通过以下几个方面提高结构的连续性。
3.2.1 采用精细施工工艺:精细施工工艺可以保证结构各构件的准确连接,减少断裂和倒塌的风险。
3.2.2 加强质量控制:质量控制是施工的关键环节,只有加强质量控制,才能确保结构各构件的质量和连接的可靠性。
3.2.3 采用现代施工技术:现代施工技术可以提高施工效率和精度,降低结构建设成本,同时保证结构的连续性和稳定性。
4. 例子为了更好地理解抗连续倒塌设计,可以举一个例子。
2008年汶川地震中,四川省雅安市受到了严重的破坏,而位于该市的石桥镇第一中学的一所学生公寓却没有受到严重损害。
结构抗连续倒塌设计方法分析
一、设计原理:
二、设计方法:
1.软弹性设计方法:该方法通过在结构中引入柔性元件,如阻尼器、
减震器等,来增加结构的柔韧性和耐动力,减少震动对建筑物整体的破坏。
这种方法适用于地震较为频繁的地区。
2.松散连接设计方法:该方法通过在结构构件之间采用可拆卸或可剪
切的连接方式,使建筑物在发生灾害时能够发生局部破坏而不致整体倒塌。
这种方法适用于抵抗爆炸、冲击等非地震灾害的建筑物设计。
3.层间位移控制设计方法:该方法通过在结构中设置层间位移抗力装置,使建筑物在受到地震动力作用时能够通过控制层间位移来减小震害。
这种方法适用于多层和高层建筑的设计。
三、应用案例:
1.东京湾岸城市防灾塔:该建筑采用了软弹性设计方法,在结构中引
入了大量的阻尼器和减震器,能够有效减少地震灾害对建筑物的破坏,提
高了建筑物的抗连续倒塌能力。
2.郑州绿博园展厅:该建筑采用了松散连接设计方法,在结构构件之
间采用了可拆卸的连接方式,使建筑物在受到风灾等非地震灾害时能够局
部破坏而不致整体倒塌。
3.台北101大楼:该建筑采用了层间位移控制设计方法,通过设置层
间位移抗力装置,使建筑物在受到地震动力作用时能够控制层间位移,提
高了建筑物的抗连续倒塌能力。
总结:结构抗连续倒塌设计方法是一项重要的工程技术,能够有效地降低地震等灾害对建筑物的破坏程度。
在实际设计中,可以根据具体的工程要求选择合适的设计方法,以提高建筑物的安全性和抗灾能力。
混凝土框架结构的抗连续性倒塌设计方法探析混凝土作为建筑工程的主体部分,在很大程度上决定了建筑工程的质量水平。
为了保证建筑工程的质量过关,必须要提高混凝土的质量水平。
在建筑工程质量中,必须要保证混凝土框架结构的抗连续性和抗倒塌性,以此确保建筑工程结构的稳定性和坚固性。
因此,在构建混凝土框架结构时,必须要对框架结构的抗连续性倒塌进行有效地设计,同时要找出设计方法,以此提高混凝土框架结构的抗连续性抗倒塌水平。
标签混凝土框架结构;抗连续性倒塌;设计方法混凝土框架结构连续性倒塌主要是由于发生突发事件,导致混凝土局部发生损坏的现象。
混凝土框架结构在发生损坏后,以此使其他局部结构也发生一系列的连锁反应,导致混凝土框架结构发生倒塌现象。
因此,必须要提高混凝土框架结构的整体性和连续性,同时也要加大混凝土结构的冗余度,以此提高抗连续倒塌的能力。
在本文中,主要是对混凝土框架结构抗连续倒塌进行设计,提高混凝土框架结构的整体性和稳定性。
一、混凝土框架结构混凝土抗连续倒塌的设计思想1、具备着一定的承载力混凝土框架结构在受到意外荷载的作用下,本身所具备的一定的承载力能够防止本身受到破坏。
要在容易受到撞击和人为破坏的部分加强构件,确保其本身具备较高的承载力,从而对局部进行加强。
但是对结构进行局部加强,并不能确保其他部位不会受到损坏,从而在对结构进行设计时,选择局部加强并不属于正确的选择,最好就是要降低意外事故发生的概率。
2、结构具备着备用荷载传递路径在发生意外事故时,混凝土框架结构具备着充足的备用荷载传递路径。
混凝土局部构件在受到破坏后,所具备的备用荷载传递路径能够将荷载和内力重分布进行有效的传递,不会发生大范围的坍塌。
3、能够有效的隔离结构分区,确保局部破坏是在分区范围中在平面大而层数少的结构在发生连续倒塌,而且呈现的是水平形态时,主要就是将结构分区进行隔离。
对于高层建筑在发生连续倒塌现象时,在发生水平性连续倒塌和竖向连续性倒塌时,并不能对连续倒塌的范围进行有效控制,因此,在混凝土框架结构设计中,并不能够使用这个方法。
结构抵抗连续性倒塌方法分析作者:杜正学石教磊刘宁来源:《大东方》2017年第02期摘要:当今,由于结构的局部破坏引起结构连续垮塌的现象越来越突出。
本文就根据现有的事故、规范以及研究,提出防止结构整体倒塌的三大措施。
分别是结构整体性检查、构造措施和构件设计,并对相应的措施作出进一步分析,以供设计者参考。
关键词:连续性倒塌;措施;分析一、引言近几十年来,建筑向大型化、复杂化发展。
与此同时,结构安全性要求越来越高。
而通用的概率论可靠度分析仅能满足结构在正常使用条件下的适用性。
而如今,燃气爆炸、恐怖袭击和火灾等突发事件越来越频繁,结构往往由于局部的破坏而引起整体的倒塌,给生命和财产带来巨大的损失。
因此防止结构的整体倒塌的措施越来越迫切需要。
我国近年来对此并无具体规范,尽在构造措施方面进行粗略的提及。
着眼与此,本文就如何防止结构的整体破坏进行定性的分析,并提出相应的措施。
二、初始破坏形式结构的连续性倒塌往往是由于某一子结构的局部破坏,使剩余结构不能有效承受由于初始破坏和损伤造成的不平衡荷载或内力变化,使剩余结构进一步发生破坏,从个人引发连锁反应,最终导致结构的连续性倒塌。
综合已有事故,有可能引起结构连续性倒塌的形式有横向承重结构和纵向承重结构的局部破坏。
三、防止结构连续性倒塌的措施1.结构的定期检查房屋之所以能够承受较大的使用荷载和各种自然因素,归因于由于不同构件共同作用的结果,房屋作为一个整体,其任意局部的所害将对其整体性带来严重的影响,因此在房屋的使用过程中,要对房屋作定期性检查。
主要针对的方面有两种,分别是各构件是否达到设计要求和使用活动对构件带来的影响。
首先是构件的施工是否达到设计要求。
构件的设计是考虑了各种荷载效应,使构件在使用过程中能够正常工作。
但在实际过程中,由于材料的变异性等不确定性因素是施工后的构件与构件的设计状况有一定的出入。
因此,要对构件进行测量检查以保证构件达到设计要求。
此外,在房屋投入使用过程中,外界的各种因素也会对构件的承载力和耐久性有一定的影响,因此还要对构件做周期性的检查。
建筑结构连续性倒塌及其控制设计的研究现状分析摘要:建筑结构连续性倒塌是指建筑的形成和初始损伤结构在载荷的作用下,结构的内力的再分配,其他结构失效和连锁反应的结果,和大规模的失败或崩溃的结果不是成正比的初始局部破坏结构。
连续倒塌的原因可能是爆炸、冲击、火灾、飓风、地震、异常降雪等意外因素。
目前,我国对连续抗倒塌设计的研究还不够,因此,本文希望对建筑结构连续性倒塌极其控制设计进行研究,希望可以推动相关的研究工作。
关键词:建筑结构;连续性倒塌;控制设计;现状分析。
引言连续性倒塌是建筑结构的一种特殊形式,指结构的局部破坏意外荷载作用下(主要包括炸药爆炸、瓦斯爆炸、车辆影响和沉重的影响,等等)继续扩大,并最终导致结构的崩溃在大规模甚至整个失去承载能力。
近年来,国内外许多突发事件(爆炸、火灾、地震、恐怖袭击等)已导致建筑物倒塌,造成重大人员伤亡和财产损失,并产生了负面的社会影响,因此也受到了越来越多的人关注[1]。
1、建筑结构连续性倒塌设计的一般规定根据国际标准对建筑结构连续倒塌设计的相关研究成果,并结合我国混凝土结构设计规范的实际情况和建筑连续加固的抗倒塌目标,全面分析了国内外的倒塌情况,目前适用于连续抗倒塌钢筋混凝土框架结构的设计方法主要有间接控制法、直接设计法和设计法。
间接设计方法实际上是指通过提高结构的冗余性、连续性和延展性,从而提高建筑抗连续倒塌能力,从而增强整个结构系统的完整性的一些概念设计措施。
直接设计方法是通过改变荷载传递路径来分析或设计结构的抗倒塌能力,包括去掉构件的方法和关键构件的方法,事件控制方法是采取措施消除结构连续倒塌的原因[2]。
2、连续抗倒塌设计理念根据国家规范的规定和原则,结构抗连续倒塌设计的指导思想可以分为两个方面。
例如,结构分区是隔离的,因此局部损坏仅限于分区范围。
其次,提高结构的完整性、冗余性和延性,将结构损伤控制在局部范围内,避免整体垮塌。
有两种方法可以使用。
一是,设计可以直接遭受意外荷载的结构,设计备用组件,荷载传递路径等等,对关键系统进行总体结构设计,使其有足够的安全储备[3]。
梁柱单一构件失效对结构整体稳定性的影响摘要:自然灾害和恐怖袭击导致的结构连续性倒塌事件,往往会造成巨大的人员伤亡和社会财富损失,并产生不良的社会影响。
近年来,抗连续性倒塌设计与分析方法的研究越来越受到重视,已成为结构工程界的一个研究热点。
一些国家已经制定了相应的防止连续性倒塌的设计规范,但我国规范中尚无抗连续性倒塌的详细设计方法,还存在各种问题需要解决。
本文对抗连续性倒塌设计与分析的若干基本问题进行了探讨,并以一具体结构模型为例,分析总结了按照我国现行抗震规范设计的钢筋混凝土框架结构的抗连续性倒塌能力。
本文的主要工作如下:(1)简要介绍了框架结构连续倒塌的研究背景和意义,总结了国内外研究现状以及存在的问题,并说明了本文研究的目的和内容。
(2)对备用荷载路径法使用中所涉及的几个关键问题结合国外规范进行总结和介绍,并指出了其中的注意事项,供研究和设计人员参考并为本文后续的分析工作做了铺垫。
(3)简单介绍了ANSYS 软件,说明了ANSYS 软件的一般流程。
(4)采用备用荷载路径法中的非线性静力分析方法以一幢7 层框架结构为研究对象,分析模型结构在局部构件破坏后的抗倒塌性能。
关键词:框架结构;连续性倒塌;备用荷载路径法;ANSYSAbstract: Building progressive collapse caused by Accidents and terrorist attacks, usually leads to great casualties and wealth lost , and may also have a badly social impact. In recent years, more and more research effort has been focused on the method for structural design and analysis to prevent progressive collapse. Progressive collapse of building structures has become a research hotspot in structural engineering. Design codes for the prevention of progressive collapse are available in some countries. However, there are no detailed design methods to resist progressive collapse in Chinese codes. There are various problems need to be solved. In this thesis, some basic problems of design and analysis for resisting progressive collapse are discussed. The capacity to resist progressive collapse for RC frame structures,designed according to the codes for seismic design of buildings, is analyzed using a specific structure model.The main work of this thesis is as follows:(1)Briefly introduced the study background and significance of the progressive collapse of frame structure, Summarizes the domestic and foreign research present situation and the existing problems, and illustrates that the purpose of this study andcontent.(2)Several key problems concerning the use of Several key problems concerning the use of the alternative load path method are summarized and introduced with reference to the foreign codes, and the notice items is pointed out, providing some references to the study and design staff and providing a basis for subsequent analyses work of this paper.(3)introduced the ANSYS software, illustrates the general flow of ANSYS software.(4)By using nonlinear static analysis of the alternative load path method, taking a RC frame structure of seven layers as research object, analysis the performance of resist progressive collapse of the RC frame structures. Keywords: frame structure; Progressive Collapse ; the alternative load path method;ANSYS1 绪论1.1 研究的背景和意义结构连续性倒塌是指结构由于突发事件的发生造成结构发生初始局部破坏,继而引起与破坏构件相连的构件连续破坏,最终导致结构的整体倒塌或者大范围的倒塌,然而不同的设计规范对连续性倒塌的定义略有差别。
钢结构抗连续倒塌组件法
近年来,我国城市建筑高度不断增加,钢结构建筑也逐渐成为主流建筑形式。
然而,在自然灾害或其他意外情况下,钢结构建筑的倒塌风险也日益凸显,给人们生命和财产带来极大的威胁。
为此,研究人员提出了一种新型的钢结构抗连续倒塌组件法。
该方法通过在钢结构建筑的关键节点处设置抗连续倒塌组件,使得建筑在遭受外力冲击时能够有效地分散和吸收能量,从而提高建筑物的抗震能力和抗倒塌能力。
该方法的核心是通过数学模型和实验验证,在建筑的柱子和梁子处设置具有一定弹性和可塑性的抗连续倒塌组件。
在建筑遭受外力冲击时,组件会发生变形和变形后的复位,从而分散和吸收外力的能量,保证建筑的安全性。
该方法的实施可以有效地提高我国城市建筑的安全性和抗灾能力,为城市的可持续发展提供重要保障。
同时,也为钢结构建筑的研究和应用提供了新思路和新方法。
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建筑结构在冲击负载作用下连续倒塌分析方法
摘要:建筑物在冲击负载作用下的连续倒塌已经引起了全世界的极大关注。
对于一个经济的,安全的,能够抵抗冲击负载作用下连续倒塌的建筑结构设计,连续倒塌分析是必不可少的。
因为连续倒塌的灾难性特点,和为了抵抗它而潜在的建造和改造建筑物的高额费用,所以连续倒塌分析方法是绝对必要且可信的。
对于工程师们而言,他们估算连续倒塌的方法不仅仅要求精确和简要,而且容易上手,立竿见影。
因而,最近许多研究者都在发展可靠有效和直接的连续倒塌分析方法上花费了很多的精力。
在最近的干物上,当前在文献资料中找得到的关于连续倒塌的分析方法被重新审阅。
人们广泛讨论它们的适宜性、适用性和可靠性。
我们也提出了最近刚刚完成的关于钢筋混凝土框架在爆破荷载下的连续倒塌新分析方法。
关键词:连续倒塌分析;建筑结构;爆炸荷载;冲击荷载
连续倒塌被定义为“由于一个基本的局部构件失效在构件之间扩散最终造成整个结构或者是不成比例的一大部分倒塌”。
其含义为一个或者一组关键承重构件的失效造成周围构件的失效和部分或者是整个结构的倒塌。
建筑结构的连续倒塌可能由一系列的意外和人为的因素造成,比如:错误的建造顺序,偶然过载造成的局部失效,爆炸和地震造成的关键组件的损坏。
这篇论文仅仅研究了特殊荷载(如:爆炸和冲击),造成的建筑结构连续倒塌的分析。
随着最近Alfred P.Murrah联邦大楼和世界贸易中心(WTC)的
倒塌,许多的研究更多的关注如何建造抵抗由于爆炸和冲击荷载造成连续倒塌的建筑。
对于一个经济的,安全的,能够抵抗冲击负载作用下连续倒塌的建筑结构设计,连续倒塌分析是必不可少的。
因为连续倒塌的灾难性特点,和为了抵抗它而潜在的建造和改造建筑物的高额费用,所以连续倒塌分析方法是绝对必要且可信的。
对于工程师们而言,他们估算连续倒塌的方法不仅仅要求精确和简要,而且容易上手,立竿见影。
因而,最近许多研究者都在发展可靠有效和直接的连续倒塌分析方法上花费了很多的精力。
目前可行的结构连续倒塌分析方法可以被大致分为两类:直接模拟法,这种方法直接模拟了使结构破坏和建筑物倒塌的爆炸荷载效应,和非耦合交替荷载路径法,这种方法通过模拟由于移除关键承重构件造成的不同水平的损坏来对结构进行分析。
在最近的干物上,当前在文献资料中找得到的关于连续倒塌的分析方法被重新审阅。
这些文献既有优点又有不足之处。
人们广泛讨论它们的适宜性、适用性和可靠性。
我们最近也提出了刚刚完成的关于钢筋混凝土框架在爆破荷载下的连续倒塌新的分析方法。
1、建筑结构连续倒塌分析方法
在这个部分,现今在文献中可以找到的结构连续倒塌分析方法分为两类,直接模拟法和交替荷载路径法。
1.1 直接模拟法
在直接模拟法中,建筑结构,气流和爆炸都被细致的建立到模型中去。
对于爆炸产生的冲击波的传播方式和其与结构之间的相互作用
都需要模拟,或者,需要导出作用在建筑结构上的爆炸和冲击荷载并使它们直接作用在结构构件上。
大多数爆炸和冲击造成的材料非线性反应和动力效应还有损坏都被包括在这种模拟当中。
在这个部分,我们会列出直接模拟法在建筑结构连续倒塌分析方法中的几种典型的应用,每种都有各自的特点。
1.1.1 爆炸荷载下的建筑倒塌的直接模拟
Luccioni et al 曾经对一座真实的建筑物进行了结构倒塌分析。
这座建筑叫做“AMIA”,属于阿根廷犹太人互济会,被恐怖分子袭击并倒塌。
在这项分析当中,用3维固体构件(包括钢筋混凝土柱,梁和砌体墙)组装成这座建筑物的模型。
这座建筑的结构倒塌分析分为两个阶段。
分析的第一个阶段,包括模拟即时引爆的爆炸本身。
第二阶段包括建筑与爆炸产生的冲击波之间的效应和相互作用。
分析考虑了冲击波激起的气流产生的唯一的荷载。
爆炸所产生的地面运动,没有考虑。
倒塌的建筑物的数值结果如图2所示。
数值结果和恐怖袭击之后拍摄的照片比较可以看出:数值分析准确的重现了在爆炸荷载作用下建筑的倒塌过程。
实际损坏和数值模拟的结果的很好的一致性,证明了细致化的结构、材料和爆炸效应模拟对于这种分析是必需的,并且是现今唯一能够成功的进行的对整个建筑的完整倒塌分析的方式。
这是利用直接模拟方法分析结构连续倒塌的一个很好的例子。
这种方法能够成功的预测由于爆炸和冲击荷载造成的连续倒塌的过程。
可是,要达到这种准确度是要花费很大的代价的。
为了导出准确的材料
参数,需要先做很多的实验。
建筑结构、空气和爆炸都需要细致的建模,这样就需要成千上万的基本单元。
特定的算法和软件也同样需要用来计算“冲击波—结构”相互作用,同时得到结构的损坏和倒塌特性。
因此,这是非常费时,而且需要有渊博知识结构动力学,损伤力学,动态材料性能和计算技能。
1.1.2 世界贸易中心倒塌分析
Quan和Brinbaum用AUT0DYN 3D计算机程序对世界贸易中心北塔进行了冲击和倒塌的计算机三维模拟,用数值的方式重现了9月11日世界贸易中心北塔整个受冲击和倒塌的过程。
他们的模型包括整个世界贸易中心北塔的建筑和波音767客机。
模拟中运用的三维有限单元模型包括了总共270 000根梁和壳单元。
所有围墙上以及中央核心中的柱都被简化,以梁单元来模拟,而非使用固体元素或壳单元。
楼板和屋顶用AUTODYN壳求解器来建模。
波音767客机也用AUTODYN壳求解器和拉格朗日求解器来建模。
完整的模拟包括四个部分:静力平衡计算得到初步压力和重力引起的应变;对波音767客机撞击北塔的模拟;撞击泄漏的燃料燃烧造成的北塔强度和刚度的衰减;最后,重力作用引起的北塔连续倒塌。
图4给出了一个典型的结果,它表示了材料在塔遭受撞击之后6.5秒的位置。
可以看到,建筑高度的一半已经倒塌了。
计算结果表明,对北塔遭受撞击和倒塌的科学合理的、真实的、可行的方案可以通过数值模拟得到。
在连续性分析中,一个在建模过程中合理的简化,比如用简单的单元来代表复杂的结构构件性能,不会影响到结果的准确
性,同时可能会显著的减少模型大小。
这样能够节省大量的计算内存和计算时间,特别是对复杂的结构,如高层建筑。
当然,特定的有限的单元仍然需要形成。
1.1.3 DYN法分析钢筋混凝土框架连续倒塌
Hao et ai提出了基于连续损伤力学理论的DYN方法。
这种方法与其他直接模拟方法的主要区别是爆炸的初值和冲击波的传播不是直接建模的。
取而代之的是,作用在结构上的冲击荷载是首先用TM5-1300和Ref.中给出的公式计算出,然后它们被直接作用于建筑结构的正面、侧面、屋顶和背面。
这个方法被用来分析三层两跨的钢筋混凝土框架结构。
分析利用的是用户自定义副程式的LS.DYNA计算机程序。
图5给出了钢筋混凝土结构的布置和爆炸位置。
在这个分析当中,爆炸被假定在地表引发。
这次爆炸相当于1000公斤TNT当量,换算距离为1.7m/kg,这样只有第一层的中柱会由于爆炸的影响而倒塌。
中显示了DYN分析方法得到的结构连续倒塌的数值结果。
从中可以看出,DYN方法给出了合理的钢筋混凝土框架在临界冲击荷载作用下倒塌预测值。
在他们的研究中,同样比较了DYN方法、GSA和基于交替荷载路径法的DoD指导方针得出的结果。
基于交替荷载路径法的GSA和DoD被发现可能给不出可靠的结构连续倒塌预测并且常常低估爆炸破坏的柱子顶部支撑节点的应力和应变。
上面提到DYN方法最为巨大的改进是冲击波和建筑结构之间的相互作用,最初的爆炸和冲击波传播并不需要直接模拟。
它运用深厚
的爆炸荷载分布理论来定义爆炸荷载然后把它们直接作用在结构上。
这能够可观的减少有限单元模型的尺寸,同时增加模拟的效率。
总得来说,直接模拟法能够产生可信的结构在爆炸和冲击荷载作用下倒塌的预测结果,但是那是以大量的时间投入,渊博的结构动力学、损伤力学、动态材料特性和计算技巧为基础的。
因此,它不适用于实际工程应用。
这类方法的可行性可以按照以下的方法进行改:1)开发新的有限单元,不仅仅要易于建立和计算,并且能够描述复杂的结构构件特性,如非线性和动力特性;2)提出新的方法,准确预测负荷爆炸周围建筑结构的不同的爆炸情景。
随着计算机科学的发展,与改善有限元模型和荷载运用方法的进步,直接模拟方法有可能成为进行爆炸和冲击荷载作用下结构连续倒塌分析的一种准确有效的方法。