基于子結(jié)構(gòu)的鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能快速判定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于子結(jié)構(gòu)的鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能快速判定方法,它包括以下步驟：(1)首先確定關(guān)鍵柱失效后整體結(jié)構(gòu)的容許倒塌范圍；(2)選取子結(jié)構(gòu)邊界范圍；(3)求子結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)中的剩余結(jié)構(gòu)連接的各個梁柱中點處沿各個方向的彈簧剛度及相應(yīng)的荷載值；(4)對子結(jié)構(gòu)是否倒塌進行判斷。本發(fā)明的優(yōu)點：傳統(tǒng)的分析方法需要建立復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)模型進行抗連續(xù)倒塌性能分析，而本發(fā)明所提方法只需要建立較小的子結(jié)構(gòu)模型即可，子結(jié)構(gòu)模型簡單計算時間短，可以實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的快速準確評估,當建筑結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能不足時，可提前采取適當防護措施，提高其抗連續(xù)倒塌性能。
【專利說明】基于子結(jié)構(gòu)的鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能快速判定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能快速判定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌可能由許多原因造成，如錯誤的施工順序、偶然的超載、地震或爆炸沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件破壞等。近年來國內(nèi)外發(fā)生多次建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌破壞的慘劇，為了避免建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌，降低人員傷亡與財產(chǎn)損失，很有必要在新建建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，以及現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)性能評估中，對建筑結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能進行評估，進而采取適當?shù)姆雷o措施，提高其抗連續(xù)倒塌性能。目前，結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能評估常用的方法為替代傳力路徑法。該法的優(yōu)點是分析過程與連續(xù)倒塌的觸因無關(guān)，僅僅考察結(jié)構(gòu)發(fā)生初始損傷后的結(jié)構(gòu)特性，適用范圍廣，可用于不同原因造成的連續(xù)倒塌分析。然而，采用替代傳力路徑法對結(jié)構(gòu)進行連續(xù)倒塌的線性靜力、線性動力及非線性靜力分析時，得出的結(jié)果與實際差別較大，并且可能得出不安全的結(jié)果；采用非線性動力方法進行連續(xù)倒塌分析時，得出的結(jié)果較為準確，但是當建筑結(jié)構(gòu)體型較大、形式復(fù)雜時，計算效率低，無法快速對建筑結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能進行評估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的缺點，提供一種可準確快速的對鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能進行評估的方法，當建筑結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能不足時，可提前采取適當防護措施，提高其抗連續(xù)倒塌性能。
[0004]本發(fā)明基于子結(jié)構(gòu)的鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能快速判定方法，它包括以下步驟:
[0005](I)首先確定關(guān)鍵柱失效后整體結(jié)構(gòu)的容許倒塌范圍，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(nèi)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(jié)構(gòu)邊界范圍，步驟為:以失效柱為基準，包括容許倒塌范圍規(guī)定的開間數(shù)及失效柱正上方相鄰開間內(nèi)的所有梁柱作為子結(jié)構(gòu)，將子結(jié)構(gòu)邊界選取在子結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)中的剩余結(jié)構(gòu)相連接的梁柱中點處；
[0007](3)求子結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)中的剩余結(jié)構(gòu)連接的各個梁柱中點處沿各個方向的彈簧剛度及相應(yīng)的荷載值，步驟為:(a)將子結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)中的剩余結(jié)構(gòu)連接的梁柱中點處作為節(jié)點全部約束，約束全部節(jié)點的所有自由度；(b)將整體結(jié)構(gòu)中某一柱子假定為失效柱并移除，對邊界已經(jīng)約束的子結(jié)構(gòu)進行非線性靜力分析，得出所有節(jié)點處沿各個方向的約束反力，所述的約束反力為所有節(jié)點處沿各個方向的荷載值并且所述的約束反力為整體結(jié)構(gòu)中的剩余結(jié)構(gòu)對子結(jié)構(gòu)的作用力；(c)將子結(jié)構(gòu)邊界處所有節(jié)點的約束全部去掉，釋放邊界處全部節(jié)點的自由度，同時去掉整體結(jié)構(gòu)上的所有荷載，在子結(jié)構(gòu)各邊界節(jié)點處反向施加求得的約束反力，并求得每一個邊界節(jié)點沿各個方向的變形值；(d)根據(jù)每一個邊界節(jié)點上的約束反力與節(jié)點沿各個方向的位移之間的關(guān)系，得到每一個邊界節(jié)點上沿各個方向的彈簧剛度；
[0008](4)對子結(jié)構(gòu)是否倒塌進行判斷，判斷方法為:(a)移除假定失效柱，并對子結(jié)構(gòu)進行動力響應(yīng)分析；(b)計算子結(jié)構(gòu)中柱和梁的塑性鉸轉(zhuǎn)角，如果塑性鉸轉(zhuǎn)角超過0.21，則認為這些柱和梁發(fā)生失效；(c)根據(jù)失效的柱和梁確定倒塌的開間總數(shù)及面積；然后與步驟(I)中的確定的結(jié)構(gòu)容許倒塌范圍比較，當破壞范圍超過容許倒塌范圍認為整體結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌破壞。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0010]傳統(tǒng)的分析方法需要建立復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)模型進行抗連續(xù)倒塌性能分析，而本發(fā)明所提方法只需要建立較小的子結(jié)構(gòu)模型即可，子結(jié)構(gòu)模型簡單計算時間短，可以實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的快速準確評估，當建筑結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能不足時，可提前采取適當防護措施，提高其抗連續(xù)倒塌性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1 (a)是本發(fā)明的基于子結(jié)構(gòu)的鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能快速判定方法中角柱失效時容許倒塌范圍俯視圖；
[0012]圖1 (b)是圖1 (a)所示的結(jié)構(gòu)的立面圖；
[0013]圖1 (c)是本發(fā)明的基于子結(jié)構(gòu)的鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能快速判定方法中邊柱失效時容許倒塌范圍俯視圖；
[0014]圖1 (d)是圖1 (C)所示的結(jié)構(gòu)的立面圖；
[0015]圖1(e)是本發(fā)明的基于子結(jié)構(gòu)的鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能快速判定方法中內(nèi)部柱失效時容許倒塌范圍俯視圖；
[0016]圖1 (f)是圖1 (e)所示的結(jié)構(gòu)的立面圖；
[0017]圖1 (g)是本發(fā)明的基于子結(jié)構(gòu)的鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能快速判定方法中角柱失效時采用的子結(jié)構(gòu)選取示意圖；
[0018]圖1(h)是本發(fā)明的基于子結(jié)構(gòu)的鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能快速判定方法中內(nèi)部柱失效時采用的子結(jié)構(gòu)選取示意圖；
[0019]圖2為子結(jié)構(gòu)邊界條件示意圖；
[0020]圖3(a)為本發(fā)明方法實施例1整體結(jié)構(gòu)中62號節(jié)點位置示意圖；
[0021]圖3(b)為本發(fā)明方法實施例1子結(jié)構(gòu)中62號節(jié)點位置示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明方法實施例1中62號節(jié)點豎向位移動力響應(yīng)結(jié)果；
[0023]圖5(a)為本發(fā)明方法實施例1整體結(jié)構(gòu)破壞形式圖；
[0024]圖5(b)為本發(fā)明方法實施例1子結(jié)構(gòu)破壞形式圖。
【具體實施方式】
[0025]本發(fā)明方法是將子結(jié)構(gòu)法與替代傳力路徑法結(jié)合，建立了鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能快速評估方法。
[0026]本發(fā)明方法基本思路如下:首先給出了鋼框架結(jié)構(gòu)容許倒塌范圍，并據(jù)此建立了子結(jié)構(gòu)的選取原則；然后基于固定界面模態(tài)綜合法，提出了子結(jié)構(gòu)邊界條件的模擬方法； 最后給出了鋼框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌判定準則，在子結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能分析的基礎(chǔ)上，建立 了整體結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能評估方法。
[0027]本發(fā)明的基于子結(jié)構(gòu)的鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能快速判定方法，它包括以下 步驟：（1)首先確定關(guān)鍵柱失效后整體結(jié)構(gòu)的容許倒塌范圍，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(nèi)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范圍參照多國結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌規(guī)范及標準提出了結(jié) 構(gòu)在同一樓層內(nèi)的容許倒塌范圍，結(jié)構(gòu)不同樓層間的容許倒塌范圍和GSA2003指南中的規(guī) 定一致(規(guī)定失效構(gòu)件以下的樓板及與該失效構(gòu)件無直接連接的結(jié)構(gòu)不得出現(xiàn)坍塌）;(2) 如圖1(g)至如圖1(h)所示，選取子結(jié)構(gòu)邊界范圍，步驟為：以失效柱為基準，包括容許倒 塌范圍規(guī)定的開間數(shù)及失效柱正上方相鄰開間內(nèi)的所有梁柱作為子結(jié)構(gòu)，將子結(jié)構(gòu)邊界選 取在子結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)中的剩余結(jié)構(gòu)相連接的梁柱中點處；(3)如圖2、圖3(a)、圖3(b)所 示，求子結(jié)構(gòu)邊界處沿各個方向的彈簧剛度及相應(yīng)的荷載值，步驟為：(a)將子結(jié)構(gòu)與整體 結(jié)構(gòu)中的剩余結(jié)構(gòu)連接的梁柱中點處作為節(jié)點全部約束，約束全部節(jié)點的所有自由度；(b) 將整體結(jié)構(gòu)中某一柱子假定為失效柱并移除，對邊界已經(jīng)約束的子結(jié)構(gòu)進行非線性靜力分 析，得出所有節(jié)點處沿各個方向的約束反力，所述的約束反力為所有節(jié)點處沿各個方向的 荷載值并且所述的約束反力為整體結(jié)構(gòu)中的剩余結(jié)構(gòu)對子結(jié)構(gòu)的作用力；(c)將子結(jié)構(gòu)邊 界處所有節(jié)點的約束全部去掉，釋放邊界處全部節(jié)點的自由度，同時去掉整體結(jié)構(gòu)上的所 有荷載，在子結(jié)構(gòu)各邊界節(jié)點處反向施加求得的約束反力，并求得每一個邊界節(jié)點沿各個 方向的變形值；(d)根據(jù)每一個邊界節(jié)點上的約束反力與節(jié)點沿各個方向的位移之間的關(guān) 系，得到每一個邊界節(jié)點上沿各個方向的彈簧剛度；
[0028](4)對子結(jié)構(gòu)是否倒塌進行判斷，判斷方法為：(a)移除假定失效柱，并對子結(jié)構(gòu) 進行動力響應(yīng)分析；(b)計算子結(jié)構(gòu)中柱和梁的塑性鉸轉(zhuǎn)角，如果塑性鉸轉(zhuǎn)角超過0.21，則 認為這些柱和梁發(fā)生失效；（c)根據(jù)失效的柱和梁確定倒塌的開間總數(shù)及面積；然后與步 驟（1)中的確定的結(jié)構(gòu)容許倒塌范圍比較，當破壞范圍超過容許倒塌范圍認為整體結(jié)構(gòu)發(fā) 生連續(xù)倒塌破壞。
[0029]本發(fā)明中結(jié)構(gòu)倒塌判定準則為：當失效構(gòu)件范圍超過本發(fā)明中規(guī)定的容許倒塌范 圍時，認為結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌。構(gòu)件失效判定準則參考GSA20 03指南規(guī)定的塑性較轉(zhuǎn)角限 值 0. 21。
[0030]本發(fā)明中結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能評估方法為根據(jù)本文的結(jié)構(gòu)倒塌判定準則，柱子移 除后，發(fā)生連續(xù)倒塌的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能弱于未發(fā)生連續(xù)倒塌的結(jié)構(gòu)。對于未發(fā)生連續(xù) 倒塌的結(jié)構(gòu)，柱子移除后，失效柱正上方節(jié)點豎向位移越小，說明該結(jié)構(gòu)越不容易發(fā)生連續(xù) 倒塌破壞，即結(jié)構(gòu)抗連續(xù)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(fā)明中基于子結(jié)構(gòu)的鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能 快速評估方法與已有方法相比的優(yōu)越性。
[0033]分別采用本發(fā)明的方法及傳統(tǒng)的替代傳力路徑法對2個鋼框架架構(gòu)進行抗連續(xù)倒塌性能分析。首先設(shè)計了 2個3X5跨、5層鋼框架結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)A、B梁柱尺寸列于表1。
[0034]表1結(jié)構(gòu)A、B的梁柱截面尺寸
[0035]
【權(quán)利要求】
1.基于子結(jié)構(gòu)的鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能快速判定方法，其特征在于它包括以下步驟: (1)首先確定關(guān)鍵柱失效后整體結(jié)構(gòu)的容許倒塌范圍，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(nèi)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(jié)構(gòu)邊界范圍，步驟為:以失效柱為基準，包括容許倒塌范圍規(guī)定的開間數(shù)及失效柱正上方相鄰開間內(nèi)的所有梁柱作為子結(jié)構(gòu)，將子結(jié)構(gòu)邊界選取在子結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)中的剩余結(jié)構(gòu)相連接的梁柱中點處； (3)求子結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)中的剩余結(jié)構(gòu)連接的各個梁柱中點處沿各個方向的彈簧剛度及相應(yīng)的荷載值，步驟為:(a)將子結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)中的剩余結(jié)構(gòu)連接的梁柱中點處作為節(jié)點全部約束，約束全部節(jié)點的所有自由度；(b)將整體結(jié)構(gòu)中某一柱子假定為失效柱并移除，對邊界已經(jīng)約束的子結(jié)構(gòu)進行非線性靜力分析，得出所有節(jié)點處沿各個方向的約束反力，所述的約束反力為所有節(jié)點處沿各個方向的荷載值并且所述的約束反力為整體結(jié)構(gòu)中的剩余結(jié)構(gòu)對子結(jié)構(gòu)的作用力；(c)將子結(jié)構(gòu)邊界處所有節(jié)點的約束全部去掉，釋放邊界處全部節(jié)點的自由度，同時去掉整體結(jié)構(gòu)上的所有荷載，在子結(jié)構(gòu)各邊界節(jié)點處反向施加求得的約束反力，并求得每一個邊界節(jié)點沿各個方向的變形值；(d)根據(jù)每一個邊界節(jié)點上的約束反力與節(jié)點沿各個方向的位移之間的關(guān)系，得到每一個邊界節(jié)點上沿各個方向的彈簧剛度； (4)對子結(jié)構(gòu)是否倒塌進行判斷，判斷方法為:(a)移除假定失效柱，并對子結(jié)構(gòu)進行動力響應(yīng)分析；(b)計算子結(jié)構(gòu)中柱和梁的塑性鉸轉(zhuǎn)角，如果塑性鉸轉(zhuǎn)角超過0.21，則認為這些柱和梁發(fā)生失效；(c)根據(jù)失效的柱和梁確定倒塌的開間總數(shù)及面積；然后與步驟(I)中的確定的結(jié)構(gòu)容許倒塌范圍比較，當破壞范圍超過容許倒塌范圍認為整體結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)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(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】丁陽, 李 浩, 師燕超, 李忠獻 申請人:天津大學(xué)