[發明專利]一種高層鋼框架結構的地震倒塌分析方法

有效

• 申請號: 201110241754.2
• 申請日: 2011-08-22
• 公開（公告）號: CN102385663A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 丁陽;伍敏;徐龍河;李忠獻
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 溫國林

技術領域

本發明涉及結構工程技術領域，特別涉及一種高層鋼框架結構的地震倒塌分析方法。

背景技術

我國幾乎所有的高層建筑結構都建設在地震區，面臨嚴重的地震災害威脅。而鋼結構在工業及民用建筑中尤其在高層建筑結構中的應用日益廣泛，因此研究其在地震作用下的動力響應和倒塌機制具有重要意義。國內外學者對框架結構的倒塌進行了一些研究。文獻1(Hakuno?M，Meguro?K.Simulation?of?concrete?frame?collapse?due?to?dynamic?loading[J].Engineering?mechanic，1993，119(9)：1709-1723.)用離散元法對框架結構實現了動力荷載作用下的倒塌模擬，文獻2(張雷明.災害荷載下結構倒塌機制研究[D].北京：清華大學，2000.)利用奇異函數建立不連續位移的構件單元模型對框架結構進行倒塌破壞全過程分析，文獻3(Ibarra?L?F.Krawinkler?H.Global?Collapse?of?Frame?Structures?under?Seismic?Excitations[R].Final?report?on?PEER?Project?3192002，2005.)采用考慮剛度退化的有限元方法對框架結構進行倒塌模擬，文獻4(宣綱，顧祥林，呂西林.強震作用下混凝土框架結構倒塌過程的數值分析[J].地震工程與工程振動，2003，23(6)：24-30)采用簡化的剪切彈簧模型模擬了鋼筋混凝土框架地震倒塌過程，文獻5(KurobaneY，Wang?B，Azuma?K，et?al.Brittle?fracture?in?steel?frame?seismic?damage?of?beam-to-column?rigid?connection?in?the?1995?Hyogoken-Nanbu?earthquake[A].Behavior?of?steel?structures?in?seismic?areas[C].Luglio：Firuito?Di?Stampare?Nel，1997，833-844)分析鋼框架結構在地震中鋼柱的橫向斷裂破壞，但斷裂并未導致結構倒塌。框架結構在強震作用下的動力響應常常處于非線性塑性階段，傳統的有限元方法所采用的隱式積分難以滿足其收斂條件，無法分析結構的倒塌過程；離散元法雖然能滿足結構倒塌破壞時的位移不連續性，但是其分析精度過低耗時過長，倒塌破壞模式需事先給定，而實際結構的倒塌破壞模式往往事先并未得知，這不適于分析復雜高層結構的倒塌破壞。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于提供一種高層鋼框架結構的地震倒塌分析方法，該方法可以精確確定高層鋼框架結構的失效極限荷載，在未知失效破壞模式前提下，追蹤結構的失效路徑，可精確模擬高層框架結構考慮損傷累積效應在地震作用下的倒塌破壞全過程，詳見下文描述：

一種高層鋼框架結構的地震倒塌分析方法，所述方法包括以下步驟：

(1)獲取地震作用下高層鋼框架結構的動力方程；

(2)根據中心差分法和所述動力方程在時間間隔Δt內對高層鋼框架結構的位移微分求速度和加速度；

(3)根據Von?Mises屈服條件和修正的K&K模型獲取t時刻單元的應力σ_t；

(4)定義與K&K模型相應的失效準則，根據所述失效準則判斷單元是否發生失效，如果是，執行步驟(5)；如果否，執行步驟(6)；

(5)刪除該失效單元；

(6)根據幾何方程和所述高層鋼框架結構的位移u(t+Δt)獲取單元的應變增量dε；

(7)根據損傷演化方程，獲取單元的累積損傷值D；

(8)根據所述單元的累積損傷值D計算高層鋼框架結構的層損傷值；

(9)獲取t+Δt時刻單元的應力σ_t+Δt；

(10)更新時間t為t+Δt，重新執行步驟(1)。

所述動力方程為：

式中，M、C和K分別為質量、阻尼和剛度矩陣；u(t)、和分別為結構位移、速度和加速度反應向量，p(t)為等效地震力向量。

所述Von?Mises屈服條件為：