大跨度预应力混凝土框—剪结构抗连续倒塌性能仿真分析_李佳.pdf

70大跨度预应力混凝土框剪结构抗连续倒塌性能仿真分析李佳中国五洲工程设计集团有限公司北京100053摘 要：为有效分析出大跨度预应力混凝土框剪结构抗连续倒塌性能，本文结合实际的工程案例，通过有限元仿真模拟法，并且利用拆除立柱结构的测试方式，进一步判断出在不同环境下，大跨度预应力混凝土框的抗连续倒塌性能。关键词：大跨度预应力混凝土框；工程案例；建筑工程；离散单元法DOI:10.19569/119313/tu.202318024在城市化建设进程不断推动下，社会各个阶层对建筑安全性与抗联系倒塌性能逐渐重视，尤其是在日常建筑工程实施过程中，大跨度预应力混凝土框剪结构应用越来越广泛，但是此种施工结构十分复杂，国内对于其安全性的实验研究还不成熟，因此本次研究将结合某地区的工程案例，结合不同类型的有限元模拟计算方式，有效填补大跨度预应力混凝土框剪结构研究的空白。1 工程案例本次研究主要以某地区的大跨度预应力混凝土框剪结构工程作为实际案例，为保证工程安全性，该结构设计主要根据国内建筑设计标准，其地上首层层高为5m，其它层高为4.4m，楼梯总体层数为5层，总体高度为22.6m。其中楼体中横梁、结构楼板以及剪力墙等施工区域均使用标号为C30的混凝土材料，而支撑立柱则需要使用标号为C40的混凝土，而钢筋要使用型号为HRB400的钢筋。为保工程结构安全性，其中4层以下的楼板恒定载荷参数为KN/m2，均布活载荷参数为KN/m2，而5层的楼板恒定载荷参数为KN/m2，均布活载荷参数为0.5KN/m21。建筑工程实施过程中，根据施工场地特点将工程项目种类设定为3类，而大跨度预应力混凝土框以及剪结构的抗震等级为1级，结构抗震的种类为丙类。根据现阶段该建筑工程施工现状以及建设环境，本次预应力混凝土横梁孔洞内部的预应力钢筋一束至少保证12根。2 大跨度预应力剪结构连续倒塌模拟方法现阶段建筑工程大跨度预应力混凝土框剪结构抗连续倒塌性试验,大多数利用比例模型或者平面图像，加上针对建筑工程开展三维实体试验，无论是操作流程还是结果分析的难度都相对较大，因此，仿真模拟计算方式成为现阶段我国技术人员常见的应用技术手段。但是仿真模拟处理方式在实施过程中，其难点主要集中在对剪结构倒塌出现的严重形变、严重位移等非线性问题的处理上，所以想要保证建筑工程结构抗连续倒塌性能的仿真研究结果，需要选择适合的数据收集和模拟计算方式。2.1 修整有限元法修整有限元法从本质上来看，是对有限元法进行改良后的模拟计算方法，该方法主要通过大跨度预应力剪结构自身所具有的错动面特点，从而将所产生的节点与损坏结构的移动情况一一对应。因此修整有限元法在使用过程中，更加适合应用在建筑工程静态接触问题上，而在结构动态研究方面上则经常出现问题和约束。除此之外，该方法在实施过程中对于技术人员自身理论知识储备要求较高，在实际操作过程中，通常要求技术人员能够有效把控力学本质，并且在模拟计算过程中，无法精准的描述不连续的位移现状，所以应用范畴相对较小。2.2 离散单元法离散单元法在实施过程中，最初该技术方式被用于分析岩石结构体的稳定参数，随着该技术不断创新和改进，进而研发出拓展离散单元法，以此用于仿真模拟大跨度预应力混凝土框剪结构的损坏情况，即在测试之前，首先将钢筋混凝土不断离散，通过模拟化处理，制作成非线性构成的质点，进而有效构建出以等效质点为基础条件的结构架信息模型，以便于研究建筑工程内部结构损坏以及倒塌的基础原理，由于该技术通常应用在连续倒塌之后的建筑剪结构，所以通常被应用在结构碰撞以及爆炸等方面2。2.3 动力有限元模拟法在建筑行业发展过程中，大跨度预应力混凝土框剪结构抗连续倒塌性能的仿真分析和研究，是有限元应用软件发展速度较快的一个环节，因此建筑行业对于该技术的发展需求较大。对于建筑工程来说，由于结构倒塌是形变的一个过程，所以想要对其进行有效模拟计算，不仅要求非线性分析技术水平，其参数计算总量也相对较大，因此无论是所使用的系统软件，还是计算机硬件设备的操作性能都要求较高。本次研究将使用ANSYS/LS-DYNA研究法进行仿真模拟处理，构建出精细的分离式有限元仿真模拟处理模型，并且从两个方面入手，综合观察外界因素对于建筑工程剪结构抗连续倒塌性能的影响和作用，比如：其一，利用结构拆除法详细评定剪结构自身抗连续倒塌的基础能力。其二，利用地震波所产生的可塑性进行详细分析。2.4 有限元软件开发为保证大跨度预应力混凝土框剪结构抗连续倒塌性能，能够正常开展模拟分析，需要结合不同类型的有限元模拟技术探讨71技术选择适合的分析软件，现阶段常见的分析软件主要包含ANSYS，ABAQUS，ADINA等，但是根据工程项目混凝土框以及剪结构的研究方向、研究角度以及研究深度的不同，需要开发出全新的有限元软件，以此提高对所有研究方式的通用性，极大的降低研究的重复性环节，保证检测结果精准程度3。3 大跨度预应力剪结构连续倒塌性能评定随着现代化建筑形式不断丰富，剪结构设计逐渐规范，越来越多的大跨度建筑结构以及预应力施工结构逐渐普及，但是针对大跨度预应力混凝土框，以及剪结构抗连续倒塌性能仿真模拟方法研究相对较少，并且综合考虑到现阶段建筑工程表面的美观性已经成为影响工程项目的重要因素之一，因此越来越多的工程项目选择使用大跨度应力剪结构施工方式，对此本次研究将使用拆除构件方式，有效评定剪结构抗连续倒塌性能，以此为大跨度预应力剪结构施工和安全评定提供一系列理论知识作为支持。3.1 计算横截面实际开展仿真模拟分析时，由于建立三维结构的基础工作量巨大，并且为保证模拟结果的精准程度，钢筋需要与混凝土相互结合进而建立共节点，因此本次研究将使用分离式模型建设方式。实际建立过程中，技术人员首先需要将横梁、立柱以及剪力墙等混凝土构建按照区域划分为各个单元格，确保每个构件之间可以形成许多共节点，随后按照钢筋实际分布位置，将所设定的各个节点相互连接，进而形成钢筋结构线。随后将已经建立完成的钢筋结构线复制移动至下一条钢筋节点位置上，依次循环。从模型建立方式上能够观察出此种模拟方式十分精细，在参数计算以及模型构建过程中更能够符合实际情况，但是同样模型建立难度相对较大，所以本次综合考虑到模型建立的可行性，在钢筋结构构建上需要选择归拢措施。3.2 钢筋位置分布对于建筑工程来说，钢筋位置的分布直接影响工程项目实际施工质量，因此不同预应力横梁需要使用适合的预应力钢筋束，其中小跨度预应力横梁通常使用直线性预应力钢筋束，而大跨度预应力横梁，钢筋束则需要根据横梁所产生的预应力线类型以及横梁荷载形式，如果横梁均匀荷载占比较大，则需要使用抛物线类型的预应力钢筋束；如果横梁集中荷载占比较大，则要使用折线形预应力钢筋束4。4 抗连续倒塌能力评估由于本次所使用的仿真模拟法为拆除构件方式，因此需要详细对比拆除立柱1和立柱2之后的剪结构变化情况，以此判断出测试结构的抗连续倒塌性能。除此之外，当拆除两个底部立柱之后，还可以针对上层立柱中心节点所产生的位移情况，进一步判断大跨度预应力混凝土框稳定性。4.1 拆除立柱1拆除立柱1后，需要将大跨度预应力混凝土框剪结构基础数据，通过LS-PrePost处理设备制作出应力云结构图与移动云结构图，同时对拆除后结构位移参数以及位移速度等数据详细分析，同时当立柱1拆除后，技术人员还需要在不同时间段内详细对比应力云结构图的情况，并且进一步观察出当立柱1拆除之后，其结构内部重力分布情况。当立柱1拆除后0.1秒时，控制点上方的立柱以及支撑剪力墙普遍向靠近拆除立柱的位置集中应力，而其他立柱以及横梁的应力集中区域则相对比较分散，并且剪力墙其他位置与横梁连接出所产生的应力相对较小。这是因为立柱1拆除之后，结构板自身多余的重量以及立柱竖向载荷，会通过横梁以及结构板传递至其他立柱结构上，由此可见，立柱拆除后0.1秒，其大跨度预应力混凝土框剪结构的重力分布异常情况处于初始发展阶段。当立柱1拆除后0.3秒时，横梁以及立柱交接位置的应力参数骤然提高，其中底层结构的立柱所产生应力相对集中，而所连接剪力墙底部位置的应力集中范围不断扩大，导致上部分结构板上出现大规模的应力分布不均匀现状，在该阶段立柱和结构板上的内力通常分布在中后时期。当立柱1拆除后0.5秒时，各个横梁以及立柱连接位置点的应力向减少趋势发展并且横梁以及楼板之间的结构应力分布状态趋于平衡性，致使整个大跨度预应力混凝土框剪结构内部所具有的重力分布已经达到了后期发展阶段。而在整个应力变化过程中，剪结构的最大主应力始终内部超过12MPa，未达到混凝土的最大抗压参数，所以拆除立柱1并没有导致结构损坏5。4.2 拆除立柱2使用应力加载法拆除立柱2之后，同样利用处理设备获得结构的应力云图，以及位移云图，此时技术人员需要针对拆除位置点的竖向位移数据曲线结构进行详细分析。当立柱2拆除后0.1秒时，控制位置点的上方立柱所产生的应力趋于集中，并且横梁以及立柱交接位置的应力已经超过了21MPa，超出混凝土立柱最大抗压参数，此时拆除位置上局部混凝土由于超大的压力作用下出现脱落现状，但是所产生的影响范围相对较少，结构位移不严重。除此之外，拆除立柱2周边的大跨度预应力混凝土框所承担横梁应力同样增加，大多数位置需要承担至少12MPa左右，该数值十分接近混凝土最大抗压强度，因此同样处于损坏的边缘。同时由于试验区域的应力混凝土框的结构由小跨度以及转变为大跨度，并且与拆除立柱2周边次要横梁以及地层位置上的结构板，共同构成测试结构上的第三应力集中区技术探讨72域，所以一旦立柱2拆除，以上结构需要承担的应力大幅度提高，并且在悬空跨度上所产生的集中载荷作用下出现弯曲现状。由此可见，在0.1秒时，由于剪结构上的内应力主要集中在周边横梁以及结构板上，虽然是内重力的初始发展阶段，但是在该阶段部分区域的混凝土已经在巨大压力下出现损坏。当立柱2拆除后0.2秒时，此时结构部分节点的应力参数已经达到了27MPa，此种现状导致结构出现严重损坏，但是损坏的分布范围仍然集中在横梁以及立柱交接位置上，但是与0.1秒不同的是，损坏的范围有所增加，由此可见，当立柱2拆除后，剪结构的内部应力分布强度已经发展为高峰时期。当立柱2拆除后0.3秒时，其剪结构所产生的应力分布状态与0.2秒大致相同，但是主要横梁以及立柱2周边的立柱应力集中情况稍有缓解，由此可见，当0.3秒时，剪结构内部所具有的应力已经几乎区域平缓。当立柱2拆除后0.5秒时，剪结构的应力区域已经仅仅集中在拆除立柱2周边的横梁节点上，其他区域的应力分布相对比较均匀。由此可见，拆除立柱2之后，剪结构上的内应力变化通常分为三个环节：0.1秒时是开始阶段，而0.2秒则是高峰时期，0.2-0.3秒为平稳时期，而0.5秒后则处于均匀时期。深入探索其主要原因，在两个立柱拆除过程中，虽然立柱2拆除后，其剪结构最大应力大于20MPa，明显超出混凝土最大抗压强度，但是当立柱2拆除之后，结构没有出现较大的位移问题，而是部分节点分布区域由于无法承担巨大应力出现结构损坏问题，而失效的立柱周边横梁、结构板材以及相邻立柱所承担的应力仅仅小于混凝土最大抗压强度，因此已经处于结构开裂的边缘，而剪力墙结构由于两种立柱拆除后，都没有太多应力集中的问题，所以该结构相对比较稳定，不仅有效避免试验结构出现损坏，一定程度上还保证内部重力的分布发展趋势呈现出弹性化的运作，所以对于大跨度预应力混凝土框剪结构来说，剪力墙则是抗连续倒塌性能的核心条件。4.3 对比分析拆除立柱1与立柱2之后详细对比工况，并且从结构损坏程度以及结构所出现的最大位移情况进行分析，最终得出相关结论：拆除2立柱比拆除1立柱所出现的安全风险更高。其中立柱1拆除之后，由于该立柱自身所具有的位置，即使拆除其结构上的剪力墙能够发挥出立柱的实际作用，以此有效支撑剪结构不出现连续性倒塌问题。而拆除立柱2后，从剪结构内部结构现状来看，小跨度横梁则转变为大跨度横梁，并且由于中间位置的特殊性，所以需要承担较大的集中载荷，导致拆除后结构的应力分布不均匀。从结构的内部重力分布位置来看，在不同时间段内，拆除两种立柱后，其内部重力分布变化通常需要经历三个变化阶段，并且在变化时间上都在0.5秒内全部完成，进一步判定出，无论是立柱1，还是立柱2，拆除后导致剪结构出现内部重力分布变化时间普遍分布在0.3秒左右。而两种拆卸方式所具有的区别主要体现在重力载荷传输方式和渠道的不同。除此之外，拆除立柱1后，剪结构内部重力分布发展方式更加具有整体性和系统性，并且所有的构建在不同发展时间段内起到了重力传递的作用；拆除立柱2后，结构所产生的载荷传递主要集中在主要横梁结构、混凝土框架以及剪力墙等相关结构上，而产生以上现状的主要原因则是因为当立柱1拆除失去效用后，剪力墙可以代替立柱直接起到承担压力的作用，所以即使立柱1被拆除，整体结构的变化并不明显，拆除立柱2后，全新形成的结构形态导致预应力横梁的悬挑结构，以及大跨度横梁成为了重力应力的主要承担区域，导致主要横梁与混凝土框架上所需要承担的立柱应力相比其他区域来说更大，长期以往导致该区域的构件在承担巨大压力后遭到破坏。5 结束语 由此可见，本文使用LS-DYNA动力系统软件，针对大跨度预应力混凝土框剪结构连续倒塌性影响因素进行详细分析，并且通过使用拆除构件法，进一步评定不同结构形态可能产生的连续倒塌性能，为大跨度预应力混凝土框剪结构连续倒塌性仿真模拟分析提供理论支持。参考文献：1 钱凯,李易.混凝土结构抗连续倒塌研究综述J.建筑科学与工程学报,2022,39(03):1-28.2 柯长仁,雷欣琳.基于非线性动力分析的大跨度框剪结构的抗连续倒塌分析J.江苏科技信息,2021,38(05):38-41+51.3 熊华兵,王虎祥,田佳岐.基于施工力学的大跨度预应力混凝土框架结构张拉变形研究J.科技创新与应用,2023,13(03):103-107+112.4 王小龙.大跨度预应力混凝土连续刚构桥施工监控分析以福建省某三跨连续刚构桥施工为例J.工程技术研究,2022,7(23):35-37.5 饶承彪,谢琪,王涛.大跨度预应力混凝土刚构桥施工监控方案设计J.山西建筑,2022,48(22):150-152.作者简介：李佳，硕士，中国五洲工程设计集团有限公司，工程师，研究方向：民用建筑设计研究。技术探讨