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[软件] SAP2000建筑结构钢筋混凝土承重墙拆除模拟

导读:近日,哈尔滨市松北区利民学苑B栋有租户在3楼装修时砸掉了承重墙,导致大楼从下往上出现裂缝,楼内200余户居民被紧急撤离,临时安置到酒店。从网传视频看,该房间中钢筋混凝土的承重墙大面积被砸掉,只剩下钢筋,房间中还留有钩机、推土机等大型设备。据小区业主表示,当晚这栋共31层高的大楼,就开裂到了15层,第二天下午裂到21导致楼房无法正常使用。 

涉事楼层装修时砸掉的墙体
众所周知,建筑物的承重墙等结构不能擅自改动,否则会产生严重的安全问题。2020年,福建泉州造成29人死亡、50人受伤的重大塌楼事故,就是因为违规野蛮装修所造成的。作为一名结构设计工程师,为了阐述钢筋混凝土承重墙拆除后,对整体结构的受力机理的影响。笔者拟用SAP2000软件对该行为进行仿真模拟分析。希望能引发大家的共鸣,如有不当,欢迎专家学者批评,共同进步。

一、仿真分析概述

对于倒塌仿真分析,工况步骤为:

初始重力工况→抗倒塌工况(需要采用非线性直接积分法!)

对于模型分析需要满足以下的关键点: 

•建立考虑材料非线性的构件-变形骨架关系;
•计入P-Δ效应的影响;
•采用剩余结构的阻尼(如Rayleigh阻尼);

•时程分析时步长不宜大于0.005s。

且在实际工程应用分析时,需要三维计算模型全面考虑。由于本文仅对该现象进行抛砖引玉的剖析,仅建立2D平面框剪模型进行分析,如下图所示。

二、仿真机理

•整体拆除机理

对该行为的仿真通常采用构件拆除法,和抗倒塌分析的步骤一致,将拆除失效的构件,通过等效为该失效构件所产生的力(M、V、N),并根据拆除方式,令失效构件所产生的力变为0,如下图所示。

•梁柱构件机理

由于该分析涉及构件弹塑性状态的分析,需要对梁柱和墙体做弹塑性定义

对于梁柱的弹塑性行为定义通常有以下方式:

各类方法均有优缺点:

•对于塑性铰/非线性弹簧的梁柱单元不容易较准确的考虑压弯作用
•纤维截面梁柱单元虽然能考虑压弯作用,但无法考虑剪切作用

•精细化实体有限元梁柱单元存在标定难度大,计算量大的问题

因此,针对梁和柱的受力特征,在常规的建筑结构体系中,建议梁采用塑性铰单元,柱采用纤维截面梁柱单位。

•墙板构件机理

对于墙板的分析SAP2000提供了分层壳单元,分层壳单元可以分析任意板墙单元,但是缺点就是计算量相对较大。因此对于高宽比较大的墙体可采用墙铰的形式进行弹塑性分析。

建议在拆除构件附近的楼板采用分层壳单元,其他楼板采用弹性薄壳。

剪力墙视情况而已,不需要考虑节约算力时,建议全部采用分层壳单元。

三、仿真定义

模型建模与定义可根据上述进行建模,需建两个模型,一个是拆除后的模型,一个是未拆除的模型。拆除后的模型主要是为了计算竖向周期,并定义模型的Rayleigh阻尼,未拆除的模型为了模拟整体拆除过程。

•拆除模型定义

对于拆除模型,为了求解竖向周期,定义自由度为 UZ、RY(如果是3D模型则为:UZ、RX、RY)。

求解得到结构前三阶竖向周期为:

•未拆除模型定义

对于未拆除模型需要模拟分析整体拆除过程的结果。需要预先定义好前置的重力工况,并接力倒塌分析工况。通过软件查询得到拆除的墙体编号为1号。

对于重力工况定义如下:

需要注意的是:

1、打开非线性
2、打开P-Δ效应

3、定义准永久工况(如果有Live工况,应增加且比例系数为0.5)

对于倒塌工况定义需要注意的要点

1、接力重力工况

2、打开非线性和直接积分法

3、勾选P-Δ效应

4、打开连续倒塌选项

5、显示移除对象,此处移除的是1号墙体单元。

移除时间是在1s后开始移除,持时是移除的时间通常是拆除后结构竖向周期的1/10甚至更小,此处持时为0.02s。

时间步长选择10^(-4)s,数量3w步,确保整体过程能完全展示得到。

对于瑞利阻尼的定义如下:

对于瑞利阻尼的填写,建议有两种方式:

1、第一周期填写竖向第一周期,第二周期填写竖向第三周期;

2、第一周期填写竖向第一周期,第二周期填写1/10的竖向第一周期。

此处由于阻尼比建议为0.02~0.04,而非0.05,混凝土构件拆除后,塑性铰开展,非线性展开的阻尼应在塑性铰发展中产生。整体的阻尼比考虑过高,会高估系统阻尼比。

四、仿真结果展示

由下图可以得到(10倍变形放大),当1号墙体拆除时,对应楼上将多处出现开裂,与实际现象一致。因此,在装修过程中,在对结构信息不了解的情况下,切勿对承重受力构件进行暴力拆除,否则将来带来不可预见的损失。

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