本發(fā)明涉及地鐵施工安全管理
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種地鐵施工引起上方建筑物倒塌的情景構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
：隨著經(jīng)濟的快速增長，我國的交通運輸也得到快速的發(fā)展，為了更好的緩解交通壓力，很多城市已經(jīng)修建了地鐵，由于地鐵起步較晚，使得很多地鐵的建設(shè)都要下穿建筑物。地鐵開挖使得地表產(chǎn)生沉降，造成上方建筑物受到損害。在地鐵開挖或運營期間若隧道發(fā)生塌陷，將使隧道上方建筑物發(fā)生大面積倒塌，必將造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。例如，在2015年6月25日，深圳地鐵7號線7304-1標?；识軜?gòu)機施工區(qū)間發(fā)生坍塌，造成1人死亡，4人受傷。雖然此次事故并沒有造成上方建筑物的倒塌，但我們應(yīng)該防患于未然，想到事故的最壞結(jié)果，并作出相應(yīng)的預案，把整個事故情景展示出來，并從歷史事件中找到災害的普遍規(guī)律，對預期風險做到全過程、全方位、全景觀的系統(tǒng)的了解，這就需要我們在考慮地鐵上方附近建筑物因隧道開挖受損時利用情景構(gòu)建的方法分析建筑物倒塌的過程。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提出了一種地鐵施工引起上方建筑物倒塌的情景構(gòu)建方法，用以構(gòu)建地鐵施工引起上方建筑物倒塌的情景。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案,一種地鐵施工引起上方建筑物倒塌的情景構(gòu)建方法，包括如下步驟：s1.建立隧道模型，構(gòu)建建筑物框架模型，根據(jù)隧道模型與建筑物模型的相對位置，計算柱腳距離隧道中心的距離，并根據(jù)地表沉降公式計算得到建筑物的不均勻沉降量；s2.逐漸增大不均勻沉降量，計算不同的不均勻沉降量所對應(yīng)的建筑所承受的附加內(nèi)力值，直到建筑物倒塌的臨界內(nèi)力值；s3.將建筑物所承受的附加內(nèi)力由小到大分別表現(xiàn)在建筑物框架中，得到建筑物框架的附加內(nèi)力圖；s4.構(gòu)建建筑物倒塌的情景視頻。進一步地，步驟s1中構(gòu)建地鐵隧道的模型的參數(shù)包括地鐵隧道軸線埋深為z、隧道半徑為r和隧道所處地質(zhì)條件地層的內(nèi)摩擦角進一步地，步驟s1中建筑物框架為三層單榀單跨框架。進一步地，步驟s1構(gòu)建的三層單榀單跨框架的建筑物框架模型的參數(shù)包括建筑物的跨度h，梁的尺寸，柱的尺寸以及框架層高。進一步地，步驟s2中附加內(nèi)力值為不均勻沉降量對上部分框架柱產(chǎn)生的附加內(nèi)力值。進一步地，：所述附加內(nèi)力值求解時，設(shè)定建筑物框架滿足以下假設(shè)：僅考慮材料的線彈性，不考慮非線性以及上下層梁之間的影響；柱腳與基礎(chǔ)、柱與梁之間全部為剛接；1/3各層柱的反彎點位置假設(shè)為：上層柱反彎點在柱的中間位置，底層柱反彎點在距柱腳1/3層高處；不考慮框架水平側(cè)移對內(nèi)力的影響。進一步地，步驟s2中根據(jù)不均勻沉降量求解附加內(nèi)力值的過程為：s21.根據(jù)構(gòu)建的建筑物的框架模型，收集計算相關(guān)的參數(shù)；s22.推導沉降剛度系數(shù)，所述沉降剛度系數(shù)為豎向沉降剛度系數(shù)，忽略柱腳轉(zhuǎn)動剛度系數(shù)；s23.計算建筑物的附加內(nèi)力值。進一步地，步驟s4中構(gòu)建建筑物倒塌的情景視頻的過程包括：s41.繪制建筑物框架的三維模型，將建筑物框架的附加內(nèi)力圖分別附于建筑物框架的三維模型中；s42.將建筑物的倒塌過程制作多個三維模型來展示建筑物的破壞情況；s43.將附加內(nèi)力圖的建筑物三維模型和倒塌過程中的建筑物的三維模型輸入視頻制作軟件中整理成視頻進一步地，步驟s41中繪制建筑物框架的三維模型的過程為：首先用cad畫圖軟件作出建筑物框架的平面圖，再將平面圖導進3dmax中，通過選取邊界進行拉出和拉伸調(diào)整，最后刪掉多余單元形成建筑物框架的三維模型。進一步地，步驟s41中將附加內(nèi)力圖附于建筑物的三維模型圖中時，通過調(diào)整建筑物框架的附加內(nèi)力圖顏色的深淺來區(qū)分內(nèi)力大小。本發(fā)明的地鐵施工引起上方建筑物倒塌的情景構(gòu)建方法，通過構(gòu)建地鐵施工引起上方建筑物倒塌的情景，用以將事故情景展示出來，對預期風險做到全過程、全方位、全景觀的系統(tǒng)的了解，有利于找到災難的普遍規(guī)律，并作出相應(yīng)的預案。附圖說明圖1是出地鐵隧道橫斷面的沉降曲線；圖2是建筑物與地鐵隧道相對位置示意圖；圖3是單榀單跨框架簡圖；圖4是不均勻沉降下框架的計算簡圖；圖5是本發(fā)明的方法的流程圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。地鐵隧道上方建筑物倒塌的根本原因在于地鐵修建期間隧道的開挖會使地表產(chǎn)生沉降變形，建筑物受到地表變形的影響，其受力情況將會發(fā)生變化，并由此產(chǎn)生附加內(nèi)力，附加內(nèi)力作用于建筑物構(gòu)件上會使其產(chǎn)生更大的變形及開裂，當構(gòu)件所受內(nèi)力超過其極限內(nèi)力值時，建筑物便會因變形過大或結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生倒塌事故。因此，需要確定在地表不均勻沉降時建筑物內(nèi)部的附加內(nèi)力值，進而判斷結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力是否超過其極限內(nèi)力值，來判斷建筑物是否會損壞或倒塌。為了計算結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力，首先需要計算地表因隧道開挖而產(chǎn)生的沉降值，當?shù)刭|(zhì)參數(shù)比如隧道半徑、埋深以及地質(zhì)條件等確定時，便可計算地表的沉降曲線，從而得到各點的沉降值，利用沉降差值確定不均勻沉降量，從而可根據(jù)不均勻沉降量計算結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力。首先分析和計算地鐵施工引起地表沉降：在隧道開挖過程中，由于地層損失將會導致地表的不均勻沉降，在此采用peck公式來計算因地層損失而產(chǎn)生的沉降量。隧道施工時，實際開挖體積與竣工體積(竣工體積還包括隧道周邊包裹的壓入漿體)體積之間有一定誤差而形感地層損失，開挖面土體向隧道斷面移動，隧道斷面收斂，從而形成地面沉降和傾斜。施工期地表沉降采用peck公式計算，其橫向沉降曲線公式為式中，sx為橫向地表沉降量；vl為盾構(gòu)隧道單位長度的地層損失量，vl＝νlπr2；另則式(1)可寫為x為地表距隧道中心線的水平距離；i為沉降槽寬度系數(shù)，z為隧道軸線埋深,稱為沉降槽寬度參數(shù)，主要取決于土性。根據(jù)倫敦地區(qū)的經(jīng)驗，普遍認為，對于無黏性土此值在0.2～0.3之間；對于硬黏土，約為0.4～0.5；而對于軟的粉質(zhì)黏土則可高達0.7。由peck公式可計算出地鐵隧道橫斷面不同位置的沉降值，由此可得出橫斷面的沉降曲線，如圖1所示。如圖5所示為本發(fā)明的方法的流程圖，首先是構(gòu)建地鐵隧道模型，包括地鐵隧道軸線埋深為z、隧道半徑為r和隧道所處地質(zhì)條件地層的內(nèi)摩擦角計算地表不同位置的沉降量。接下來構(gòu)建三層單榀單跨框架的建筑物框架模型，包括建筑物的跨度h，梁的尺寸，柱的尺寸以及層高等參數(shù)確立隧道模型與建筑物模型的相對位置，計算柱腳距離隧道中心的距離，得到建筑物的不均勻沉降量。地鐵上方建筑物選為多層框架結(jié)構(gòu)，建筑物位于地鐵隧道一側(cè)，如圖2所示。由peck公式計算可知，偏離隧道越遠，即x越大，地表的沉降值會越小，所以在建筑物整個跨度內(nèi)，不同位置將會有不同的沉降量，因此建筑物基礎(chǔ)將會發(fā)生不均勻沉降，進而會是結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化，當內(nèi)力變化超過建筑物的承載能力時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件將會發(fā)生破壞，從而影響建筑物的安全。以三層單榀單跨框架(如圖3)為例來分析地表不均勻沉降時建筑物內(nèi)力的變化。當柱腳發(fā)生相對沉降時，會對上部框架柱產(chǎn)生附加內(nèi)力，所謂附加內(nèi)力是區(qū)別于上部荷載在框架柱中產(chǎn)生的內(nèi)力而言的，當?shù)貙映两狄鸬目蚣苤械母郊觾?nèi)力作用于基礎(chǔ)時，其又會阻止基礎(chǔ)的不均勻沉降。上述步驟中所述附加內(nèi)力值為不均勻沉降量對上部分框架柱產(chǎn)生的附加內(nèi)力值，忽略附加內(nèi)力對基礎(chǔ)不均勻沉降的約束作用。逐漸增大不均勻沉降量，計算不同的不均勻沉降量所對應(yīng)的建筑所承受的附加內(nèi)力值，直到建筑物倒塌。所述附加內(nèi)力值求解時，設(shè)定建筑物框架滿足以下假設(shè)：(1)僅考慮材料的線彈性，不考慮非線性以及上下層梁之間的影響；(2)柱腳與基礎(chǔ)、柱與梁之間全部為剛接；(3)各層柱的反彎點位置假設(shè)為：上層柱反彎點在柱的中間位置，底層柱反彎點在距柱腳1/3層高處；(4)不考慮框架水平側(cè)移對內(nèi)力的影響。根據(jù)不均勻沉降量求解附加內(nèi)力值的過程為：(1)根據(jù)構(gòu)建的建筑物的框架模型，收集計算相關(guān)的參數(shù)；當柱腳1和2發(fā)生相對沉降量δ時，在上部框架柱內(nèi)將會產(chǎn)生附加內(nèi)力，計算內(nèi)力前，首先列出框架的有關(guān)參數(shù)如表1。表1材料相關(guān)參數(shù)相關(guān)參數(shù)跨度層高材料彈性模量截面慣性矩梁線剛度柱線剛度相應(yīng)符號lhecib(梁)、ic(柱)ibicu(上柱)、icb(下柱)表中，(2)推導沉降剛度系數(shù)，所述沉降剛度系數(shù)為豎向沉降剛度系數(shù)，忽略柱腳轉(zhuǎn)動剛度系數(shù)；在計算框架因地基不均勻沉降產(chǎn)生附加內(nèi)力時，首先定義框架沉降剛度系數(shù)，即框架發(fā)生相對單位位移時框架所產(chǎn)生的內(nèi)力值，因此沉降剛度系數(shù)又可細分為豎向沉降剛度系數(shù)和柱腳轉(zhuǎn)動剛度系數(shù)，豎向沉降剛度系數(shù)是指當柱腳發(fā)生豎向相對單位位移時所對應(yīng)的內(nèi)力，柱腳轉(zhuǎn)動剛度系數(shù)是指柱腳發(fā)生單位轉(zhuǎn)角時框架產(chǎn)生的內(nèi)力，在此只考慮不均勻沉降時的附加內(nèi)力，因此只對豎向沉降剛度系數(shù)做推導。在計算梁柱內(nèi)力時，為了計算簡便，頂層柱線剛度計算時取下柱高的一半，即中層柱線剛度計算時分別取上下柱高的一半，即2(icu+icb)，底層柱線剛度計算時分別取上柱高的一半，下柱高的2/3，即計算簡圖如圖4。當柱腳1點產(chǎn)生位移為δ的豎向沉降時，假設(shè)其轉(zhuǎn)角為θ，用mij表示梁端彎矩，mizt表示頂層柱的彎矩，mizm表示中間層柱的彎矩，mizb表示底層柱的彎矩，彎矩以順時針為正。則各桿端彎矩為：梁端彎矩：柱端彎矩：底層柱中間層m1zm＝6(icu+icl)θ1m2zm＝6(icu+icl)θ2頂層柱m1zt＝6iclθ1m2zt＝6iclθ2(3)節(jié)點1和節(jié)點2平衡，即∑m1＝0，∑m2＝0：底層中間層頂層令a,b取值如表2所示。表2系數(shù)a、b的取值底層中間層頂層a值110b值3/411根據(jù)上述推導，可得出構(gòu)件對應(yīng)的各內(nèi)力剛度系數(shù)，如表3所示。表3不均勻沉降下各內(nèi)力剛度系數(shù)(3)計算建筑物的附加內(nèi)力值。用表中的剛度系數(shù)分別乘以與δ有關(guān)的式子便可得到對應(yīng)的內(nèi)力值，梁端彎矩用表中系數(shù)乘以梁端剪力用表中系數(shù)乘以由此得到：梁端彎矩梁端剪力剪力以順時針為正。由于不均勻沉降，在建筑物構(gòu)件中會產(chǎn)生附加內(nèi)力，根據(jù)上述推導可得出梁端和柱端附加彎矩，由于附加彎矩的作用，將會在梁、柱端產(chǎn)生附加剪力，梁端剪力又會使柱的軸力增加，每層柱的軸力最終都會傳給底層柱，因此本文只考慮各層梁端剪力對底層柱的影響。每層梁附加剪力在柱中產(chǎn)生的軸力值為，式中δnij表示柱腳j下沉位移為δ時梁端剪力對i柱產(chǎn)生的附加軸力，軸力以壓為正，拉為負。為了方便計算，可以根據(jù)上述的推導過程編制計算程序。(1)計算參數(shù)的輸入通過上述推導可得到在地基不均勻沉降時結(jié)構(gòu)構(gòu)件附加內(nèi)力的計算公式，在地鐵隧道開挖時，可根據(jù)peck公式得到地表沉降槽曲線，所以在確定地層內(nèi)摩擦角以及隧道半徑r時便可計算出地表不同位置處的沉降量，不同位置的沉降差值即為不均勻沉降量，即δ＝s1-s2。①在計算程序中設(shè)定材料彈性模量ec，以及慣性矩、線剛度等參數(shù)的計算公式②確定建筑跨度l、建筑層高h以及梁柱截面尺寸b×h，輸入時便可利用所設(shè)定公式以及上述表2對a、b的取值計算出α的值③在實際計算中只需輸入頂層、中間層或底層等信息來匹配不同層號對應(yīng)的α值，根據(jù)表3計算構(gòu)件內(nèi)力剛度系數(shù)，由此便可根據(jù)上述推導計算出結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力值。(2)在計算程序中建立公式δ＝s1-s2(b)通過計算程序a～j以及輸入?yún)?shù)h、l、b×h，便可輸出計算結(jié)果。根據(jù)前面的建模過程和計算程序可計算出建筑物模型的內(nèi)力變化值和變形后的總內(nèi)力值，視為附加內(nèi)力值，若變形后附加內(nèi)力值仍未達到建筑物所承受的極限內(nèi)力值，則建筑物仍處于安全范圍內(nèi)，但其裂縫及撓度會因此增加。將不均勻沉降值δ增大，直至附加內(nèi)力值超過建筑物所承受的極限內(nèi)力值，此時建筑物構(gòu)件破壞，建筑物倒塌。將建筑物所承受的附加內(nèi)力由小到大分別表現(xiàn)在建筑物框架中，隨著建筑物附加內(nèi)力值的不斷增大，建筑物框架撓度不斷增加，與此同時框架裂縫也不斷擴展，根據(jù)不同的附加內(nèi)力值，得到建筑物框架的附加內(nèi)力圖；繪制建筑物框架的三維模型，將建筑物框架的附加內(nèi)力圖分別附于建筑物框架的三維模型中。將附加內(nèi)力圖附于建筑物的三維模型圖中時，通過調(diào)整建筑物框架的附加內(nèi)力圖顏色的深淺來區(qū)分內(nèi)力大小。將建筑物的倒塌過程制作多個三維模型來展示建筑物的破壞情況。然后將附加內(nèi)力圖的建筑物三維模型和倒塌過程中的建筑物的三維模型輸入視頻制作軟件中整理成視頻。用以將事故情景展示出來，對預期風險做到全過程、全方位、全景觀的系統(tǒng)的了解，有利于找到災難的普遍規(guī)律，并作出相應(yīng)的預案。當前第1頁12