基於子結構的鋼框架結構抗連續倒塌性能快速判定方法
2023-05-15 04:23:51 1
基於子結構的鋼框架結構抗連續倒塌性能快速判定方法
【專利摘要】本發明公開了基於子結構的鋼框架結構抗連續倒塌性能快速判定方法,它包括以下步驟：(1)首先確定關鍵柱失效後整體結構的容許倒塌範圍；(2)選取子結構邊界範圍；(3)求子結構與整體結構中的剩餘結構連接的各個梁柱中點處沿各個方向的彈簧剛度及相應的荷載值；(4)對子結構是否倒塌進行判斷。本發明的優點：傳統的分析方法需要建立複雜的整體結構模型進行抗連續倒塌性能分析，而本發明所提方法只需要建立較小的子結構模型即可，子結構模型簡單計算時間短，可以實現對建築結構抗連續倒塌性能的快速準確評估,當建築結構抗連續倒塌性能不足時，可提前採取適當防護措施，提高其抗連續倒塌性能。
【專利說明】基於子結構的鋼框架結構抗連續倒塌性能快速判定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鋼框架結構抗連續倒塌性能快速判定方法。
【背景技術】
[0002]結構的連續倒塌可能由許多原因造成，如錯誤的施工順序、偶然的超載、地震或爆炸衝擊荷載作用下結構關鍵構件破壞等。近年來國內外發生多次建築結構連續倒塌破壞的慘劇，為了避免建築結構的連續倒塌，降低人員傷亡與財產損失，很有必要在新建建築結構設計中，以及現有建築結構性能評估中，對建築結構的抗連續倒塌性能進行評估，進而採取適當的防護措施，提高其抗連續倒塌性能。目前，結構抗連續倒塌性能評估常用的方法為替代傳力路徑法。該法的優點是分析過程與連續倒塌的觸因無關，僅僅考察結構發生初始損傷後的結構特性，適用範圍廣，可用於不同原因造成的連續倒塌分析。然而，採用替代傳力路徑法對結構進行連續倒塌的線性靜力、線性動力及非線性靜力分析時，得出的結果與實際差別較大，並且可能得出不安全的結果；採用非線性動力方法進行連續倒塌分析時，得出的結果較為準確，但是當建築結構體型較大、形式複雜時，計算效率低，無法快速對建築結構抗連續倒塌性能進行評估。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於克服已有技術的缺點，提供一種可準確快速的對鋼框架結構抗連續倒塌性能進行評估的方法，當建築結構抗連續倒塌性能不足時，可提前採取適當防護措施，提高其抗連續倒塌性能。
[0004]本發明基於子結構的鋼框架結構抗連續倒塌性能快速判定方法，它包括以下步驟:
[0005](I)首先確定關鍵柱失效後整體結構的容許倒塌範圍，步驟為:當角柱失效時，倒塌總面積<樓層總面積的10%及與失效柱相鄰的I個開間面積的較小值；當邊柱失效時，倒塌總面積<樓層總面積的15%及與失效柱相鄰的2個開間面積的較小值；當內部柱失效時，倒塌總面積<樓層總面積的30%及與失效柱相鄰的4個開間面積的較小值；
[0006](2)選取子結構邊界範圍，步驟為:以失效柱為基準，包括容許倒塌範圍規定的開間數及失效柱正上方相鄰開間內的所有梁柱作為子結構，將子結構邊界選取在子結構與整體結構中的剩餘結構相連接的梁柱中點處；
[0007](3)求子結構與整體結構中的剩餘結構連接的各個梁柱中點處沿各個方向的彈簧剛度及相應的荷載值，步驟為:(a)將子結構與整體結構中的剩餘結構連接的梁柱中點處作為節點全部約束，約束全部節點的所有自由度；(b)將整體結構中某一柱子假定為失效柱並移除，對邊界已經約束的子結構進行非線性靜力分析，得出所有節點處沿各個方向的約束反力，所述的約束反力為所有節點處沿各個方向的荷載值並且所述的約束反力為整體結構中的剩餘結構對子結構的作用力；(c)將子結構邊界處所有節點的約束全部去掉，釋放邊界處全部節點的自由度，同時去掉整體結構上的所有荷載，在子結構各邊界節點處反向施加求得的約束反力，並求得每一個邊界節點沿各個方向的變形值；(d)根據每一個邊界節點上的約束反力與節點沿各個方向的位移之間的關係，得到每一個邊界節點上沿各個方向的彈簧剛度；
[0008](4)對子結構是否倒塌進行判斷，判斷方法為:(a)移除假定失效柱，並對子結構進行動力響應分析；(b)計算子結構中柱和梁的塑性鉸轉角，如果塑性鉸轉角超過0.21，則認為這些柱和梁發生失效；(c)根據失效的柱和梁確定倒塌的開間總數及面積；然後與步驟(I)中的確定的結構容許倒塌範圍比較，當破壞範圍超過容許倒塌範圍認為整體結構發生連續倒塌破壞。
[0009]本發明的優點:
[0010]傳統的分析方法需要建立複雜的整體結構模型進行抗連續倒塌性能分析，而本發明所提方法只需要建立較小的子結構模型即可，子結構模型簡單計算時間短，可以實現對建築結構抗連續倒塌性能的快速準確評估，當建築結構抗連續倒塌性能不足時，可提前採取適當防護措施，提高其抗連續倒塌性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1 (a)是本發明的基於子結構的鋼框架結構抗連續倒塌性能快速判定方法中角柱失效時容許倒塌範圍俯視圖；
[0012]圖1 (b)是圖1 (a)所示的結構的立面圖；
[0013]圖1 (c)是本發明的基於子結構的鋼框架結構抗連續倒塌性能快速判定方法中邊柱失效時容許倒塌範圍俯視圖；
[0014]圖1 (d)是圖1 (C)所示的結構的立面圖；
[0015]圖1(e)是本發明的基於子結構的鋼框架結構抗連續倒塌性能快速判定方法中內部柱失效時容許倒塌範圍俯視圖；
[0016]圖1 (f)是圖1 (e)所示的結構的立面圖；
[0017]圖1 (g)是本發明的基於子結構的鋼框架結構抗連續倒塌性能快速判定方法中角柱失效時採用的子結構選取示意圖；
[0018]圖1(h)是本發明的基於子結構的鋼框架結構抗連續倒塌性能快速判定方法中內部柱失效時採用的子結構選取示意圖；
[0019]圖2為子結構邊界條件示意圖；
[0020]圖3(a)為本發明方法實施例1整體結構中62號節點位置示意圖；
[0021]圖3(b)為本發明方法實施例1子結構中62號節點位置示意圖；
[0022]圖4為本發明方法實施例1中62號節點豎向位移動力響應結果；
[0023]圖5(a)為本發明方法實施例1整體結構破壞形式圖；
[0024]圖5(b)為本發明方法實施例1子結構破壞形式圖。
【具體實施方式】
[0025]本發明方法是將子結構法與替代傳力路徑法結合，建立了鋼框架結構抗連續倒塌性能快速評估方法。
[0026]本發明方法基本思路如下:首先給出了鋼框架結構容許倒塌範圍，並據此建立了子結構的選取原則；然後基於固定界面模態綜合法，提出了子結構邊界條件的模擬方法； 最後給出了鋼框架結構連續倒塌判定準則，在子結構抗連續倒塌性能分析的基礎上，建立 了整體結構抗連續倒塌性能評估方法。
[0027]本發明的基於子結構的鋼框架結構抗連續倒塌性能快速判定方法，它包括以下 步驟：（1)首先確定關鍵柱失效後整體結構的容許倒塌範圍，步驟為：當角柱失效時，倒塌 總面積<樓層總面積的10%及與失效柱相鄰的1個開間面積的較小值；當邊柱失效時，倒塌 總面積<樓層總面積的15%及與失效柱相鄰的2個開間面積的較小值；當內部柱失效時， 倒塌總面積≤樓層總面積的30%及與失效柱相鄰的4個開間面積的較小值；如圖1(a)至 如圖1(f)所示，本方法中的允許倒塌範圍參照多國結構抗連續倒塌規範及標準提出了結 構在同一樓層內的容許倒塌範圍，結構不同樓層間的容許倒塌範圍和GSA2003指南中的規 定一致(規定失效構件以下的樓板及與該失效構件無直接連接的結構不得出現坍塌）;(2) 如圖1(g)至如圖1(h)所示，選取子結構邊界範圍，步驟為：以失效柱為基準，包括容許倒 塌範圍規定的開間數及失效柱正上方相鄰開間內的所有梁柱作為子結構，將子結構邊界選 取在子結構與整體結構中的剩餘結構相連接的梁柱中點處；(3)如圖2、圖3(a)、圖3(b)所 示，求子結構邊界處沿各個方向的彈簧剛度及相應的荷載值，步驟為：(a)將子結構與整體 結構中的剩餘結構連接的梁柱中點處作為節點全部約束，約束全部節點的所有自由度；(b) 將整體結構中某一柱子假定為失效柱並移除，對邊界已經約束的子結構進行非線性靜力分 析，得出所有節點處沿各個方向的約束反力，所述的約束反力為所有節點處沿各個方向的 荷載值並且所述的約束反力為整體結構中的剩餘結構對子結構的作用力；(c)將子結構邊 界處所有節點的約束全部去掉，釋放邊界處全部節點的自由度，同時去掉整體結構上的所 有荷載，在子結構各邊界節點處反向施加求得的約束反力，並求得每一個邊界節點沿各個 方向的變形值；(d)根據每一個邊界節點上的約束反力與節點沿各個方向的位移之間的關 系，得到每一個邊界節點上沿各個方向的彈簧剛度；
[0028](4)對子結構是否倒塌進行判斷，判斷方法為：(a)移除假定失效柱，並對子結構 進行動力響應分析；(b)計算子結構中柱和梁的塑性鉸轉角，如果塑性鉸轉角超過0.21，則 認為這些柱和梁發生失效；（c)根據失效的柱和梁確定倒塌的開間總數及面積；然後與步 驟（1)中的確定的結構容許倒塌範圍比較，當破壞範圍超過容許倒塌範圍認為整體結構發 生連續倒塌破壞。
[0029]本發明中結構倒塌判定準則為：當失效構件範圍超過本發明中規定的容許倒塌範 圍時，認為結構發生連續倒塌。構件失效判定準則參考GSA20 03指南規定的塑性較轉角限 值 0. 21。
[0030]本發明中結構抗連續倒塌性能評估方法為根據本文的結構倒塌判定準則，柱子移 除後，發生連續倒塌的結構抗連續倒塌性能弱於未發生連續倒塌的結構。對於未發生連續 倒塌的結構，柱子移除後，失效柱正上方節點豎向位移越小，說明該結構越不容易發生連續 倒塌破壞，即結構抗連續倒塌性能越強。
[0031]實施例1
[0032]下面通過一個實施例來說明本發明中基於子結構的鋼框架結構抗連續倒塌性能 快速評估方法與已有方法相比的優越性。
[0033]分別採用本發明的方法及傳統的替代傳力路徑法對2個鋼框架架構進行抗連續倒塌性能分析。首先設計了 2個3X5跨、5層鋼框架結構A和結構B，框架柱橫向及縱向間距均為5m。首層層高為5.5m,第2層層高為4.0m，第3、4層層高為3.5m,第5層層高為5.0m。結構A、B梁柱尺寸列於表1。
[0034]表1結構A、B的梁柱截面尺寸
[0035]
【權利要求】
1.基於子結構的鋼框架結構抗連續倒塌性能快速判定方法，其特徵在於它包括以下步驟: (1)首先確定關鍵柱失效後整體結構的容許倒塌範圍，步驟為:當角柱失效時，倒塌總面積 < 樓層總面積的10%及與失效柱相鄰的I個開間面積的較小值；當邊柱失效時，倒塌總面積<樓層總面積的15%及與失效柱相鄰的2個開間面積的較小值；當內部柱失效時，倒塌總面積<樓層總面積的30%及與失效柱相鄰的4個開間面積的較小值； (2)選取子結構邊界範圍，步驟為:以失效柱為基準，包括容許倒塌範圍規定的開間數及失效柱正上方相鄰開間內的所有梁柱作為子結構，將子結構邊界選取在子結構與整體結構中的剩餘結構相連接的梁柱中點處； (3)求子結構與整體結構中的剩餘結構連接的各個梁柱中點處沿各個方向的彈簧剛度及相應的荷載值，步驟為:(a)將子結構與整體結構中的剩餘結構連接的梁柱中點處作為節點全部約束，約束全部節點的所有自由度；(b)將整體結構中某一柱子假定為失效柱並移除，對邊界已經約束的子結構進行非線性靜力分析，得出所有節點處沿各個方向的約束反力，所述的約束反力為所有節點處沿各個方向的荷載值並且所述的約束反力為整體結構中的剩餘結構對子結構的作用力；(c)將子結構邊界處所有節點的約束全部去掉，釋放邊界處全部節點的自由度，同時去掉整體結構上的所有荷載，在子結構各邊界節點處反向施加求得的約束反力，並求得每一個邊界節點沿各個方向的變形值；(d)根據每一個邊界節點上的約束反力與節點沿各個方向的位移之間的關係，得到每一個邊界節點上沿各個方向的彈簧剛度； (4)對子結構是否倒塌進行判斷，判斷方法為:(a)移除假定失效柱，並對子結構進行動力響應分析；(b)計算子結構中柱和梁的塑性鉸轉角，如果塑性鉸轉角超過0.21，則認為這些柱和梁發生失效；(c)根據失效的柱和梁確定倒塌的開間總數及面積；然後與步驟(I)中的確定的結構容許倒塌範圍比較，當破壞範圍超過容許倒塌範圍認為整體結構發生連續倒塌破壞。
【文檔編號】G06F17/50GK103530443SQ201310438893
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】丁陽, 李 浩, 師燕超, 李忠獻 申請人:天津大學