吊顶系统地震响应有限元分析,建筑结构论文

吊顶系统地震响应有限元分析,建筑结构论文地震后，构造的毁坏(尤其是倒塌)及由毁坏引起的人员伤亡往往备受关注，在预防构造强震失效方面更是投入了极大的人力物力，各国的抗震设计规范也将避免构造毁坏及人员伤亡作为首要原则，并且已获得了显著效果。与此同时，非构造系统地震安全的重要性却被大家忽视。非构造系统为知足人员的使用要求而设置，其地震毁坏所产生的严重后果可分为3类：1.人员伤亡，2.财产损失，3.运营中断。吊顶系统是非构造系统中特别典型也是震害极为严重的部分。通常情况下，附带照明系统的吊顶板重量达几公斤，地震中坠落在慌乱逃离的人员头部，后果可想而知，而且不断坠落的吊顶还会阻碍人员向室外逃离。除此之外，当代建筑中非构造系统的投资比例往往超过构造本身，在典型的公共建筑中甚至超过50%，远高于构造造价，见图1。而具有特殊使用功能的建筑，如机场航站楼，医院等，非构造震害导致震后运营中断所带来的后果更为严重，将影响到震后应急指挥，延缓灾后重建，带来负面的社会影响。这些事实在国内外的历次强震中均有显现。2吊顶系统震害及其影响非构造构件指建筑中除承重骨架体系以外的固定构件和部件，主要包括非承重墙体，附着于楼面和屋面的构件、装饰构件和部件、固定于屋面的大型储物架等。非构造系统是指构造上连接严密，且具有独立使用功能的一系列非构造构件的集合。如集照明、通风、喷淋功能于一体的集成吊顶，也称之为吊顶系统。这些非构造系统在地震中的震害已经造成了严重的影响。2.1芦山7.0级地震吊顶系统震害4.20芦山7.0级地震震害为例。在地震中，芦山县体育馆构造出现毁坏，这在空间构造中较为罕见，其吊顶系统同样毁坏严重，图2。图2(a)~(c)显示构造吊顶大量脱落或下垂，由(d)中细节能够看出吊顶龙骨连接失效导致吊顶板下垂。而芦山县体育馆恰好被用作灾后临时指挥中心与重建安置点，非构造系统的毁坏对二者均有一定程度的影响。除大跨空间构造外，其他构造形式的吊顶系统震害也比拟严重，华而不实不乏一些重点设防的建筑，如医院、学校等，甚至是幼儿园，见图3。由上述震害资料分析，吊顶系统的抗震能力堪忧，很多全部失效，如人民医院老门诊楼，图3(a)；局部失效多从边部开场，如华夏双语学校、大兴中学吊顶，图3(b)，(c)；悬挂的吊灯及与其相连的吊顶板毁坏比拟严重，如邛崃市高何九年制学校，图3(d)。图3(e)则显示出吊顶毁坏的细节，吊件失效，龙骨弯折，吊顶板坠落，这也是吊顶系统典型的毁坏形式。2.2国外吊顶系统震害与国内相比，国外在非构造抗震领域早已投入大量人力物力，震害资料的总结也相对全面详细。华而不实在以机场航站楼及体育馆类建筑为代表的大跨空间构造建筑中，吊顶系统的震害颇为严重，常因而导致运营中断；由于其特殊的使用功能，中断运营所带来的后果也不容忽视。2018年智利8.8级地震中，非构造系统毁坏给机场带来宏大损失，数千万美元用于清理和修复机场吊顶系统等非构造构件。华而不实圣地亚哥机场主航站楼金属吊顶失效，大量金属板及与其相连的照明系统、扬声器等一同坠落。震后救灾人员花费大量时间清理及修复，机场才得以恢复其使用功能，勉强维持正常运营，可见吊顶系统的严重毁坏无疑给刻不容缓的救灾工作雪上加霜，见图4。2001年华盛顿地震中西雅图塔科马国际机场失效的吊顶系统也导致机场主航站楼被迫关闭一天。1989年，洛马-普雷塔地震袭击旧金山和蒙特利尔海湾时，震后大量的吊顶失效同样致使旧金山机场运营中断，被迫关闭。除此之外，在智利地震中，瓦尔帕莱索市剧院吊顶系统也遭到毁坏，吊顶板及部分木龙骨失效。图5。其后2018年3月11日，日本发生9.0级地震，一些空间构造建筑的吊顶系统出现严重毁坏，图6，而在另一次日本较为严重的地震中，一座体育馆内的吊顶系统也几乎全部坠落，图7。在医院、学校等重要建筑中吊顶系统的震害同样很显著。图8。图8(a)中靠近墙边的位置，下垂的吊灯及与其相连的吊顶板一同下落，吊顶板与龙骨连接失效。图8(b)中能够看出龙骨连接失效，很多龙骨一侧节点断裂后下垂，吊顶板与照明系统多数坠落。图8(c)中的情况与图8(b)类似，均是龙骨连接失效，吊顶板大量坠落。图8(d)中除吊顶板失效外，管道也出现断裂。可见在一些重点设防的建筑中，如医院、学校、工厂等，即便构造只是轻度毁坏，吊顶却大量坠落，属于完全毁坏，除人员伤亡外，财产损失及运营中断在所难免。2.3吊顶系统严重震害的负面影响及主要原因以上主要列举了强震后机场航站楼、体育馆、医院、学校等处吊顶系统的震害，这些震害产生了极为恶劣的负面影响。震后灾区通常陆路交通中断，机场的正常运营对灾后应急救援及重建工作都显得尤为重要，地震中吊顶系统的严重毁坏不仅带来了巨额经济损失，还必然会延缓应急救援与重建工作。除此之外，体育馆等大型场馆在设计建设之初就考虑做为震后的应急指挥中心或救灾安置点，在抗震救灾中发挥重要角色，体育馆吊顶系统的严重毁坏导致人员大量伤亡的情况并不多见，但由此造成的财产损失尤其是运营中断却会给刻不容缓的灾后救援带来极大障碍；对已坠落吊顶板的清理，及对未坠落吊顶板的担忧，导致其在震后无法及时发挥应有的作用，如上述芦山县体育馆。其他构造形式建筑吊顶系统的震害也很显著。能够看出在学校、医院等重点设防的建筑中，吊顶系统的震害足以导致运营中断。而在震后救援与重建的黄金时间里，这些建筑不仅无法发挥本身的重要作用；为了抗震救灾，还将迫切需要立即投入大量的人力财力以恢复本身使用功能，迅速恢复震后正常运营。除此之外，学校尤其是幼儿园地震时吊顶系统的坠落无疑严重影响人员疏散，间接造成人员伤亡。吊顶系统的设计施工牵涉到建筑、构造、装修等多个方面，当前通用的做法是由装修方根据现有图集施工完成，并知足相应吊顶施工验收规范的要求，在这一经过中考虑了声学、光学等多方面因素，但惟独没有进行抗震设计，而吊顶的抗震设计也存在建筑、构造、装修权责不明确的情况，这也是导致吊顶系统震害严重的主要原因。3吊顶系统地震响应有限元分析首先设计80.2g区的钢筋混凝土框架构造，设计地震分组为第二组，框架构造高6层，首层高度4.2m，其他层层高3.6m，柱子截面1-3层为600mm600mm，4-6层为500mm500mm，边梁截面为300mm500mm，中间梁截面为300mm300mm。华而不实屋面恒荷载为7.0kN/m2，活荷载为0.4kN/m2，楼面恒荷载为5.0kN/m2，活荷载为2.0kN/m2，走廊活荷载为3.5kN/m2，外墙取13kN/m，内隔墙取11kN/m。梁、柱混凝土强度等级为C30，钢筋采用HRB335。板混凝土强度等级为C25，钢筋采用HPB300与HRB335组合。框架的构造布置见图9。图10为轻钢龙骨纸面石膏板吊顶的布置情况，纸面石膏板的厚度为12mm，面密度为15kg/m2。表1为龙骨参数。【表1】为求解较为不利的楼板处的响应加速度，在大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA中建立框架构造的有限元模型。然后将响应加速度输入到吊顶构造的模型中，在北岭地震波峰值加速度400gal条件下，楼板响应加速度时程曲线见图11，将其施加于吊顶系统。在ANSYS/LS-DYNA中建立了轻钢龙骨纸面石膏板吊顶的有限元模型，见图12，假定附属连接件为刚性。图13显示了吊顶系统在强震下的失效经过，龙骨出现塑性变形，但尚未折断，而连接于龙骨的纸面石膏板在地震中大量失效坠落。坠落的石膏板则很有可能阻塞地震逃生通道并砸伤慌乱的逃生人群。除此之外，假如提高峰值加速度，则龙骨也有坠落的可能，这将是愈加危险的。4结论通过对芦山地震震害的调查，总结分析了以吊顶系统为代表的非构造系统的震害情况，以为对于医院、学校、幼儿园、机场航站楼等重点设防的建筑，非构造系统的震害比拟严重，造成了人员伤亡及财产损失，并影响建筑的震后正常运营，这对于震后应急指挥及抗震救灾均特别不利。在这里基础上，对国外吊顶系统的震害情况进行了初步调查，发现存在同样问题。之后数值分析了国内通用的轻钢龙骨纸面石膏板吊顶系统的抗震性能，发如今强震下其抗震能力较差，而当前对于吊顶系统抗震方面的研究几乎处于空白阶段，亟需进一步深切进入研究。【图略】以下为参考文献：[1]叶耀先,钮泽蓁.非构造抗震设计[M].北京：地震出版社,1991.6-10YeYaoxian,NvZhezhen.SeismicdesignofNonstructure[M].Beijing:Seism