一种快速构建建筑倒塌废墟救生通道的数值模拟方法

1.本发明涉及地震现场救援技术领域，具体涉及一种快速构建建筑倒塌废墟救生通道的数值模拟方法。


背景技术：

2.地震救援过程中，在建筑废墟中构建救生通道是一项非常重要的任务。根据《insarag国际搜索与救援指南》，救生通道是废墟堆叠形成或人工采用相应的救援技术构建的用于救援人员进入和救援人员与被困者撤离的安全通道，对于不同建筑废墟如何构建救生通道显得尤为重要。目前，国内外救援机构为了提升救援队伍的应急处置能力、积累救援经验、提升地震现场救援能力，开展搭建废墟场景的工作，在该基础上开展构建救生通道演练。然而，建筑废墟场景的搭建存在成本较高、数量较少、形式单一等问题，同时在虚拟建筑废墟场景中构建救生通道缺乏理论指导。
3.为了弥补上述问题，国内外学者尝试采用虚拟仿真方法构建建筑废墟场景，例如，意大利乌迪内大学human-computer interaction laboratory利用虚拟建模技术构建1976年5月6日发生在意大利friuli地区的一次里氏6.4级地震的三维房屋废墟。本东京大学利用离散单元法和图形技术构建强震下钢筋混凝土框架结构的废墟模型。同济大学顾祥林、孙飞飞等通过图形技术把数值仿真中涉及的相关数字信息转换成直观的、以图形或图象表示的静态或动态画面显示，能够快速地构建建筑废墟。清华大学吴炜煌提出了关于结构地震反应多媒体仿真系统的基于图形处理构建建筑废墟模型。中国地震局工程力学研究所的王东明利用计算机仿真技术，编程实现了地震灾害场景仿真模型，开发了虚拟地震灾害场景仿真生成系统，通过系统响应参数设置，系统生成了设定地震的虚拟灾场。
4.上述学者基于虚拟仿真方法，在一定程度上能够得到建筑废墟场景和后续救生通道的构建。然而，上述研究均为宏观模型，不能真正地体现建筑废墟的力学特征，同时，建筑废墟场景后续的救生通道构建的仿真模拟鲜有研究。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种快速构建建筑倒塌废墟救生通道的数值模拟方法，通过快速、科学的方法在建筑废墟中构建救生通道，为地震救援演练和现场救援提供科学的指导。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
7.一种快速构建建筑倒塌废墟救生通道的数值模拟方法，该方法包括以下步骤：
8.(1)采用ansys/ls-dyna程序建立建筑结构数值模型，生成keywords文件1后求解，生成d3dump文件；
9.(2)修改keywords文件1，添加关键字*stress_initialization，保留倒塌废墟数值模型的应力状态；
10.(3)对建筑结构倒塌废墟数值模型的结构构件进行“二次编辑”；
11.(4)生成新的keywords文件1+i(i＝1，2，3
…
)，实现建筑废墟数值模型中救生通道的快速构建。
12.所述的快速构建建筑倒塌废墟救生通道的数值模拟方法，步骤(1)中，采用ansys/ls-dyna程序建立建筑结构数值模型，生成keywords文件1，输入地震加速度时程曲线，得到结构地震倒塌废墟数值模型；同时，生成d3dump文件01，02，03...n，执行destart,2。
13.所述的快速构建建筑倒塌废墟救生通道的数值模拟方法，步骤(2)中，修改keywords文件1，在keywords文件1中通过添加关键字*stress_initialization，保留倒塌废墟数值模型的应力状态。
14.所述的快速构建建筑倒塌废墟救生通道的数值模拟方法，步骤(3)中，添加关键字*delete_element删除构件单元，实现救援过程中的移除救援技术和破拆救援技术。
15.所述的快速构建建筑倒塌废墟救生通道的数值模拟方法，步骤(3)中，添加关键字*delete_element增加构件单元，实现救援过程中的支撑救援技术和顶撑救援技术。
16.所述的快速构建建筑倒塌废墟救生通道的数值模拟方法，步骤(3)中，添加关键字*control_termination，延长更改后数值模型的计算时间。
17.所述的快速构建建筑倒塌废墟救生通道的数值模拟方法，步骤(4)中，生成新的keywords文件1+i(i＝1，2，3
…
)，选择完全重启动full restart分析，接续d3dump文件n进行计算(n＝01，02，03
…
)。
18.所述的快速构建建筑倒塌废墟救生通道的数值模拟方法，在钢筋混凝土框架结构地震倒塌模型上，构建救生通道过程中监测点的竖向位移时程曲线，监测建筑结构倒塌废墟关键点的竖向位移时程，监测在构建救生通道过程中建筑废墟结构的竖向位移变化情况。
19.所述的快速构建建筑倒塌废墟救生通道的数值模拟方法，采用ansys/ls-dyna程序构建钢筋混凝土框架结构数值模型，模型的结构构建包括钢筋混凝土框架梁、框架柱、楼板和非结构构件填充墙，框架梁、框架柱、楼板的混凝土和填充墙的砌块选择8节点实体单元，采用单点积分，为了消除沙漏问题，选择沙漏控制类型5，沙漏系数0.05；框架梁、框架柱、楼板的钢筋采用2节点横截面为2
×
2高斯积分的hughes-liu梁单元；混凝土材料选用ansys/ls-dyna提供k&c模型，筋采用ansys/ls-dyna提供cowper-symonds塑性随动硬化模型，砌块墙的模型采用ansys/ls-dyna提供winfrith-concrete模型。
20.本发明的设计思想是：
21.由于建筑废墟具有多样性、复杂性及不确定性等特征，搭建建筑废墟场景时往往会导致耗时长、费用高等问题，进而导致在建筑废墟场景中构建救生通道的救援演练效率低。因此，尝试借助数值模拟程序的手段快速、有效地实现建筑废墟救生通道的构建。
22.本发明利用ansys/ls-dyna程序的重启动功能，即，通过保留建筑废墟数值模型的力学状态，之后对废墟数值模型进行“二次编辑”。考虑实际救援中使用救援技术构建救生通道，基本救援技术包括移除救援技术、支撑救援技术、顶撑救援技术、破拆救援技术等。因此，为了在废墟数值模型中通过救援技术构建救生通道，在保留废墟数值模型的应力状态的前提下，通过删除构件单元实现救援过程中的移除救援技术和破拆救援技术；通过增加构件单元实现救援过程中的支撑救援技术和顶撑救援技术。进而，实现建筑结构废墟救生通道的快速构建。
23.与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：
24.1、为了弥补建筑废墟实体场景的搭建存在成本较高、数量较少、形式单一等缺点，避免虚拟废墟场景和救生通道构建的不符合真实的力学特征。本发明以结构动力学为基础，采用数值模拟方法实现快速构建建筑倒塌废墟救生通道。
25.2、本发明基于数值模拟方法实现建筑倒塌废墟救生通道的快速构建，可以对任何类型的建筑废墟进行救生通道的构建，解决了废墟实体场景的搭建存在成本较高、数量较少、形式单一等缺点。同时，本发明以结构动力学为基础构建建筑结构废墟，并在此废墟基础上构建救生通道，解决了现有研究成果基于宏观模型，不能真正地体现建筑废墟的力学特征的问题。
附图说明
26.图1是本发明基于数值模拟方法实现建筑倒塌废墟救生通道的快速构建的流程图。
27.图2是本发明采用ansys/ls-dyna程序建立的钢筋混凝土框架结构数值模型。图中，d框架柱，e框架梁，f填充墙。
28.图3是本发明的钢筋混凝土框架结构地震倒塌废墟数值模型。图中，g楼板，h埋压人员。
29.图4是本发明在钢筋混凝土框架结构地震倒塌模型上构建救生通道的全过程。图中，d框架柱，e框架梁，f填充墙，g楼板，h埋压人员，l第一层楼板，m第二层楼板，n顶撑。
30.图5是本发明在钢筋混凝土框架结构地震倒塌模型上构建救生通道过程中5个监测点的竖向位移时程曲线。
具体实施方式
31.下面将结合本发明具体实施方式中的附图，对本发明实施方式中的方法进行清楚、完整地描述。
32.如图1所示，基于数值模拟方法实现建筑倒塌废墟救生通道的快速构建的流程如下：
33.首先，采用ansys/ls-dyna程序建立建筑结构数值模型，生成keywords文件1，输入地震加速度时程曲线，得到结构倒塌废墟数值模型；同时，通过求解生成d3dump文件01，02，03
…
n，执行destart,2。然后，修改keywords文件1，在keywords文件1(k文件1)中通过添加关键字*stress_initialization，保留倒塌废墟数值模型的应力状态。然后，对建筑结构倒塌废墟数值模型的结构构件进行“二次编辑”：通过添加关键字*delete_element删除构件单元，实现救援过程中的移除救援技术和破拆救援技术；通过添加关键字*add_element增加构件单元，实现救援过程中的支撑救援技术和顶撑救援技术；通过添加关键字*control_termination，延长更改后数值模型的计算时间。最后，生成新的keywords文件1+i(i＝1，2，3
…
的整数顺序)，选择完全重启动(full restart)分析，接续d3dump文件n(n＝01，02，03
…
的整数顺序)进行计算，实现建筑废墟数值模型中救生通道的快速构建，并根据实际构建救生通道的需求，重复计算。
34.如图2-图3所示，采用ansys/ls-dyna程序构建钢筋混凝土框架结构数值模型。模
型的结构构建包括钢筋混凝土框架梁e、框架柱d、楼板g和非结构构件填充墙f，各个部分的具体位置关系如下：框架柱d、框架梁e和楼板g构成钢筋混凝土框架结构的主体结构，三者之间的连接方式均为固结。非结构构建填充墙f与框架柱d的连接方式为拉结筋、与下部框架梁e的连接方式为固结、与上部框架梁e的连接方式仅考虑摩擦接触。
35.其中，框架梁e、框架柱d、楼板g的混凝土和填充墙f的砌块选择8节点实体单元，采用单点积分，为了消除沙漏问题，选择沙漏控制类型5，沙漏系数0.05。框架梁e、框架柱d、楼板g的钢筋采用2节点横截面为2
×
2高斯积分的hughes-liu梁单元。混凝土材料选用ansys/ls-dyna提供k&c模型，筋采用ansys/ls-dyna提供cowper-symonds塑性随动硬化模型，砌块墙的模型采用ansys/ls-dyna提供winfrith-concrete模型。
36.如图3所示，描述本发明的钢筋混凝土框架结构地震倒塌废墟数值模型，图中1轴至15轴分别为建筑纵向两侧的边柱轴线，a轴、b轴、c轴分别为建筑横向柱轴线。具体而言，对图2描述钢筋混凝土框架结构数值模型输入2008年汶川地震记录中一条加速度时程记录(wolong 051wcw)，地震加速度峰值(pga)为1.0g，进行三向输入，按照《建筑抗震设计规范》的要求，三个方向的加速度峰值比为1:0.85:0.65。假定a轴-b轴和10轴-11轴之间有一个埋压人员h，在埋压人员h附近构件救生通道，并对其实施救援。在顶层楼板g有5个监测点，目的是监测构件救生通道时监测建筑废墟结构的竖向位移变化情况，对救生通道的安全性进行初步判别。
37.如图4所示，描述本发明在钢筋混凝土框架结构地震倒塌模型上构建救生通道的全过程，地震倒塌模型中的钢筋混凝土框架梁e、框架柱d、第一层楼板l、第二层楼板m、非结构构件填充墙f和埋压人员h的具体位置关系如下：埋压人员h位于第一层楼板l和第二层楼板m的下部、埋压人员h的头部临近框架梁e和框架柱d、埋压人员h腿部上面为断裂楼板g和填充墙f。
38.该过程具体而言，分为以下5个步骤：
39.步骤1：通过对keywords文件1添加*delete_element关键字，对填充墙f进行破拆和移除；
40.步骤2：通过对keywords文件1添加*delete_element关键字，对第一层楼板l进行破拆和移除。
41.步骤3：通过对keywords文件1添加*delete_element关键字，对第二层楼板m进行破拆和移除。
42.步骤4：接近埋压人员h，如果埋压人员h腿部被上部楼板g挤压，通过对keywords文件1添加*add_element关键字，对楼板g进行边顶撑边支撑，采用顶撑n进行支撑。
43.步骤5：对埋压人员h进行医治和搬运。最终，完成筋混凝土框架结构地震倒塌数值模型救生通道的快速构建。
44.如图5所示，描述本发明在钢筋混凝土框架结构地震倒塌模型上构建救生通道过程中5个监测点的竖向位移时程曲线。具体而言，在建筑结构废墟顶层完好楼板上取5个监测点，根据救援过程中构建救生通道的5个救援步骤(步骤1、步骤2、步骤3、步骤4、步骤5)，得到5个监测点的竖向位移时程曲线，实现对救生通道的安全性进行初步评估。
45.实施结果表明，本发明涉及的快速构建建筑倒塌废墟救生通道的数值模拟方法，能够为地震现场指挥人员快速确定救援方向及构建救生通道提供科学和可靠的依据。