城市公共建筑过渡空间屋顶结构抗毁性能测试仿真研究

刘 炜 （宁夏创博建设工程有限公司，宁夏 银川 750000）

0 引言

目前，各城市为合理规划建筑用地，通常在商场与商场间建立天桥通道，不仅提供了交通便利，也使群众安全得到了保障。公共建筑过渡空间屋顶结构通常是由梁、板、墙、钢结构等建筑基本结构而组成的，可以承载任何正常活动，但若发生地震等自然灾害，其抗毁性能还需进一步提高。针对上述分析，提出城市公共建筑过渡空间屋顶结构抗毁性能测试仿真。为建筑质量等级提供新的参考指标。

1 实验准备

1.1 选择实验硬件和软件

根据实验需求，选择城市公共建筑过渡空间屋顶结构抗毁性能测试仿真实验硬件，主要硬件如表1所示。

实验硬件示意表 表1

根据实验需求，选择CAE软件，运用CAE软件，可以对各类型结构的受力作用进行分析。CAE软件的建模能力也非常强大，运用其计算能力和操作，可以建立出城市公共建筑过渡空间屋顶结构模式，并使用其强大的非线性分析颗粒结构抗毁性能进行测试。至此，实验硬件与软件选择完成。

1.2 构建屋顶结构模型

选择合理的实验硬件和软件之后，选取重庆市某商场与写字楼之间过渡空间作为参考，需要构建城市公共建筑过渡空间屋顶结构模型。在构建模型前应先选取结构的混凝土与钢材特性参数。表2为混凝土与钢材特性参数。

根据上述表2数据，构建城市公共建筑过渡空间屋顶结构几何模型，如图1所示。

图1 屋顶结构几何模型图

混凝土与钢材特性参数 表2

根据图1屋顶结构几何模型图所示，图中共有12个受力点，在仿真实验中，对模型中的每个受力点进行力学作用，从而测出房屋结构的抗毁性能。

1.3 计算屋顶结构抗毁强度

城市公共建筑过渡空间屋顶结构是连接公共建筑的桥梁，计算其抗毁程度，是完成抗毁性能测试的前提。根据上述图1受力点，仅考虑水平震动，在水平力学作用下，计算受力点所能承受的抗毁强度。首先，假设

γ

为整体屋顶结构可承受压力总值，其表达式如下所示。

其中，

S

代表受力点的高度；

b

代表震动系数；

E

代表在相应震动系数下的重力荷载；

u

代表为常数。根据上述公式（1），计算建筑过渡空间屋顶结构的抗毁强度，加入结构宽度、长度以及弹性变量，其表达式为下列公式（2）所示。

其中，

F

代表结构a点的承载力；

i

代表建筑过渡空间屋顶结构高度；

h

代表建筑过渡空间屋顶结构宽度；

v

代表结构材料的弹性变量；

l

代表建筑过渡空间屋顶结构厚度；若

i

/

h

小于1时，仅考虑结构变形的剪切模式。

2 城市公共建筑过渡空间屋顶结构抗毁性能测试

2.1 震动等级对结构抗毁性能的影响

测试城市公共建筑过渡空间屋顶结构抗毁性能，需要先明确震动等级，本文将震动等级划分为12个等级，结合1.2节中构建的屋顶结构模型，得到不同震动等级下，过渡空间屋顶结构在两小时内结构情况示意表。

根据上述表3数据所示，发现在震动等级在一级至四级的范围内，建筑屋顶结构在2h内均无明显变化；在第五级震动等级下，2h内建筑屋顶结构明显持续晃动，但未出现开裂；在震动等级为六级时，建筑屋顶结构在2h内出现更为明显晃动并加重；震动等级为七级时，结构先晃动并出现开裂，结构破损严重；在震动等级为八级到十级时，建筑屋顶结构均表现出结构出现开裂并破损，但所结构所坚持时间依次减少，分别为1h、45min以及15min；在震动等级为十一级时，结构仅坚持2min后出现倒塌损毁；震动等级为十二级时，结果仅30s的时间就倒塌损坏。

十二种震动等级下过渡空间受力时间及情况表 表3

2.2 可承受能力测试结果

通过上述2.1的测试，选取震动等级为七级，城市公共建筑过渡空间屋顶结构a1、a5、a6、a7四个受力点，经计算得知，当a1、a5、a6、a7受力点分别达到280kN、300kN、320kN、260kN 时结构损毁。下面分别检测四个受力点的可承受压力。表4为在七级震动时随着时间增加，各受力点的承载力。

根据上述表4数据所示，在七级震动中，各受力点的承载力会随着时间的增加而增加，到2h时，a1、a5、a6、a7的承载力分别为 246.78kN、165.24 kN、120.05 kN、210.85 kN，四个受力点的承载力均没有超过损毁承载力。表5为八级震动时，四个受力点的承载力变化。

七级震动时受力点压强示意表（kN） 表4

根据表5中数据显示，发现在八级震动强度下，随着时间的增加，各受力点的承受压强增加明显，1h时，a1、a5、a6、a7受力点压强均超过可承受压力，结构出现损毁。由此可见，城市公共建筑过渡空间屋顶结构不能超过八级震动，在八级震动下房顶结构仅可维持1h后便损毁。

八级震动时受力点压强示意表 表5

3 结语

通过完整的仿真实验，选取重庆市某公共建筑过渡空间为例，构建结构模型，测试其抗毁性能，得到了其震动等级为八级，时间为1h时，结构毁损。但由于本文对九至十二级震动等级下进行完整检测，导致文章还存在一定的局限性，今后应考虑更高程度震动等级进一步展开研究，为建筑质量等级提供新的参考指标。