建筑物失稳破坏问题研究

杨震宇，梁 艳

(郑州工业应用技术学院 ，河南 郑州 450000)

建筑物失稳破坏问题研究

杨震宇，梁 艳

(郑州工业应用技术学院 ，河南 郑州 450000)

针对钢筋砼结构建筑倒塌问题，采用新近兴起的PIC对钢筋砼建筑物倒塌特性及坍塌物分布形式进行了数值模拟，利用飞行器为钢筋砼建筑物提供破坏力，详细阐述不同撞击高度下的钢筋砼建筑物倒塌特性，并比较其异同，从内部揭示钢筋砼建筑物坍塌特性，结果显示：整个撞击过程分为撞击和爆炸两部分，撞击并不能对建筑物造成毁坏性的影响，爆炸会损坏被撞击建筑物的支撑柱和核心筒，而核心筒的损坏导致了建筑物的失稳，建筑物在重力作用下完成了彻底坍塌；撞击高度为100 m条件下没有撞击高度为250 m条件下的建筑物上部结构的坠落过程，但增加了坐塌过程；撞击高度250 m条件下残骸基本分布于撞击的反方向，而撞击高度100 m条件下残骸主要分布于四周，且反方向分布最远.

钢筋砼；建筑物坍塌；PIC；油料爆炸

引言

钢筋砼结构建筑物的受损、损伤发展、失效坍塌的机理一直是国内外学者重点关注的课题[1～4]，也是制约高层混凝土结构材料改进的一个瓶颈[3～4].

然而，利用PIC对于钢筋砼结构建筑物倒塌特性分析的文献较少，本文针对钢筋砼结构建筑物，基于PIC，分析了飞行器撞击作用下钢筋砼建筑物的塌缩特性，详细阐述不同撞击高度下的钢筋砼建筑物倒塌特性并比较其异同，力求更精确地研究钢筋砼建筑物坍塌问题，探求其他方法不能刻划的三维性状和规律，以期为建筑工程和混凝土结构优化工作提供理论依据.

1 PIC的基本思想

对于弹性模型

(1)

其中，G是剪切模量；K为体积模量

(2)

取两个对称偏张量sij和εij，有

(3)

(4)

(5)

故而，弹性模型的更新格式为

(6)

(7)

其中，Δt为间隔时间.Johnson-Cook模型可以展现材料的高应变率.屈服应力为

(8)

Johnson和Cook二人将屈服应力表示为

(9)

2 模型描述

混凝土使用Johnson-Cook模型进行描述，模型材料的参数见表1.

表1 材料参数

钢筋的压力P满足Mie-Grüneisen状态方程

(10)

物质点的半径为1m，网格的间距为2.2m.基于PIC的钢筋砼结构建筑物三视图见图1，模拟飞行器撞击大楼产生的冲击作用，以Y方向为正方向，即撞击的方向，也是正视图的方向.图2展示了各层平面示意图.

图1 三视图

图2 平面示意图

图3 飞行器撞击示意图

图3是飞行器的撞击示意图，在撞击之时(撞击速度为250 m/s)，两侧油箱(燃油10 t)会发生爆炸，化学能的一部分转化为了动能钢筋砼的动能，本文假设75%的化学能转化为了动能.

3 模拟结果与相关分析

3.1 撞击点高度250 m

图4 不同视角的建筑倒塌过程图

图4展现的是不同视角下飞行器自250 m高空撞击建筑物并导致建筑物倒塌的整个过程，历时151.18 s，建筑物自250 m高处被拦腰截断.a到d为俯视图，展示的是飞行器进入建筑物的整个过程；e到h为正视图，展示的是飞行器正面撞击建筑物的形态；i到m为侧视图，展示的是飞行器撞击建筑处局部破坏形态；n到x为整体侧视图，展示了建筑物整体坍塌形态.y和x为完全塌缩之时的侧视图和俯视图.具体而言，a为飞行器的初始状态；b所示时刻飞行器的头部已进入建筑物.头部与建筑物的支撑柱直接撞击并导致支撑柱的构件和飞行器的头部均破碎离散，但在油箱爆炸之前，只有飞行器的头部撞击的支撑柱受到损坏，而飞行器的机翼撞击的支撑柱并没有受到损坏，这是因为支撑柱的刚度远远大于机翼的刚度；c所示时刻油箱爆炸，导致了油箱附近的梁柱构件离散破坏；d所示时刻，240～260 m高度处靠近撞击一侧的外部构件已被松动，使得该侧核心筒产生了一定的损伤，但仍具有很强的承载能力；e到h所示时刻建筑物进一步破坏，但仍处于基本稳定状态；i到m所示时刻，由于建筑物的重力作用，外围框架开始塌缩，核心筒位置产生了极大的应力集中；n到x所示时刻，核心筒开始崩坏，导致了建筑物的彻底倒塌.

由图4可知，撞击并不是导致建筑物倒塌的直接原因，油箱的爆炸才是导致建筑物崩塌的原因.

3.2 撞击点高度100 m

图5 不同视角的建筑倒塌过程图

图5展现的是不同视角下飞行器自100 m高空撞击建筑物并导致建筑物倒塌的整个过程，历时199.18 s，建筑物自150 m高处被拦腰截断.a到c为俯视图，展示的是飞行器进入建筑物的整个过程；e到g为正视图，展示的是飞行器正面撞击建筑物的形态；h到o为侧视图，展示的是飞行器撞击建筑处局部破坏形态；p到x为整体侧视图，展示了建筑物整体坍塌形态.y和x为完全塌缩之时的侧视图和俯视图.由图5可知，油箱的爆炸才是导致建筑物崩塌的原因.

3.3 不同撞击高度的建筑物坍塌特性

针对两种不同撞击高度下建筑物的塌缩特性可知，整个撞击过程分为撞击和爆炸两部分，撞击并不能对建筑物造成毁坏性的影响，爆炸会损坏被撞击建筑物的支撑柱和核心筒；核心筒的损坏导致了建筑物的失稳，建筑物在重力作用下完成了彻底坍塌.

不同撞击高度下建筑物的坍塌过程有所不同：撞击高度为250 m的时候，整个撞击塌缩过程为151.18 s，而撞击高度为100 m的时候，整个撞击塌缩过程为199.18s.这是由于前者撞击建筑物后，建筑物的上部开始倾斜、倾倒、坠落，而后者是倾斜、坐塌、倾倒、倒塌，坐塌占用了30～40 s的时间，而且没有上部结构的坠落过程；不同撞击高度的残骸分布方式也有所不同，前者基本分布于撞击的反方向，而后者主要分布于四周，反方向分布最远.

4 结论

本文利用新兴的PIC，针对高层钢筋砼结构建筑物受飞行器撞击而导致的坍塌过程进行模拟.针对不同撞击高度下建筑物的崩塌特性进行分析，比较两者的异同，进而揭示建筑物崩塌的特性.主要结论如下：

1)整个撞击过程分为撞击和爆炸两部分，撞击并不能对建筑物造成毁坏性的影响，爆炸会损坏被撞击建筑物的支撑柱和核心，核心筒的损坏导致了建筑物的失稳，建筑物在重力作用下完成了彻底坍塌.

2)撞击高度为100 m时，整个坍塌过程耗时大于撞击高度为250 m条件下的坍塌过程耗时，是因为撞击高度为100 m条件下虽没有建筑物上部结构的坠落过程，但坐塌过程占用了30～40 s的时间，延长了整个坍塌过程.

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On Instability and Destruction of Buildings

YANG Zhen-yu1, LIANG Yan2

(Zhengzhou University of Industrial Technology, Zhengzhou Henan 450000, China)

In order to solve the collapse problem of reinforced concrete buildings, the newly developed PIC is used to simulate collapse characteristics and distribution damaged by the aircraft. Collapse characteristics of reinforced concrete buildings under different impact height is elaborated and compared, showing that the impact process is divided into impact and explosion, impact has no destructive effects on buildings while explosion can damage the columns and core tube, and the damage of core tube leads to instability of buildings and causes thorough collapse under the action of gravity. When the impact height is 100m, there is no obvious falling process, but the process of collapse is increased. When the impact height is 250m, the debris is basically distributed in the opposite direction of the impact. When the impact height is 100m, the debris is mainly distributed in the surrounding and the opposite direction goes farthest.

reinforced concrete; building collapse; PIC; oil explosion

1673-2103(2017)02-0070-07

2017-01-14

杨震宇(1994-)，男，河南省驻马店市人，研究方向：土木工程.

TU 392.2

A