一种基于悬链线的竖向构件安全性分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于悬链线的竖向构件安全性分析方法，其特点是该方法利用精细化模型与结构整体模型耦合得到的数值模型，为高层结构的倒塌形式提供直观动态的数值模拟，分析某偶发工况及灾害工况下构件拆除处的水平构件悬链线机制的开展情况进行抗连续倒塌设计。本发明与现有技术相比具有结构分析过程简单，工作效率高，为关键构件进行抗倒塌设计提供了充分、可靠参数，得到直观、定量和较为准确的构件安全冗余度，尤其适用于高层结构抗倒塌设计的安全性分析。
【专利说明】一种基于悬链线的竖向构件安全性分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及结构抗倒塌设计【技术领域】，具体地说是一种基于悬链线的坚向构件安 全性分析方法。
【背景技术】
[0002] 结构的安全性问题是结构设计的首要问题，而建筑物的倒塌破坏一直是造成人员 伤亡和设备损毁的主要根源。随着城市现代化程度的加深，高层办公楼、地标建筑越来越 多，其安全程度及抗倒塌能力也备受重视。而在诸多的地震震害调查中也发现，高层建筑结 构在大震作用下破坏受损乃至倒塌的主要表现是柱、墙的脆性剪切破坏或压屈破坏。而坚 向构件一旦发生破坏，很有可能造成结构的倾覆，最终导致其整体性的倒塌，从而形成较大 的生命财产损失，因此坚向构件的安全冗余度是评判高层结构抗倒塌能力的关键。结构坚 向构件产生局部损伤失效后，在内力重分布的过程中，随着坚向位移的增大，水平构件在中 柱远端开始由承受轴向压力转化为轴向拉力，即转化为"悬链线"机制，从而进一步承担上 部结构传来的荷载。而在水平构件承受的坚向荷载逐渐增大的过程中，失效构件邻近的坚 向构件所承受的坚向荷载也不断加大，一旦邻近坚向构件屈服然后至失效，可能会导致坚 向承重构件的进一步破坏，倒塌范围也会继续增大。所以，水平构件的悬链线机制的开展情 况可能会对坚向构件的安全造成影响。
[0003] 随着结构抗倒塌设计概念的推进，结构的整体性、关键构件的强度均被认为是结 构抗倒塌设计的关键，且多个试验研究发现，结构倒塌过程中一般伴随水平构件的悬链线 机制的转变，作为关键因素的构件延性也越发受到重视。然而，水平构件延性的增强，可能 会造成坚向构件安全性的不足，导致结构倒塌范围的进一步扩大。
[0004] 现有技术对结构抗倒塌能力的评估主要是针对结构整体，而对于结构特别是经过 抗倒塌设计的结构，其坚向构件及水平构件的相对强度及安全性是否合理没有得到重视和 考虑。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种基于悬链线的坚向构件安全 性分析方法，采用模拟高层结构在倒塌过程中的大变形、大位移及相互碰撞，为高层结构的 倒塌形式提供直观动态的数值模拟，得到结构整体的抗倒塌能力及导致结构发生倒塌的加 载情况，分析水平构件的悬链线机制，为关键构件进行抗连续倒塌设计提供充分、可靠参 数，得到直观、定量和较为准确的构件安全冗余度，结构采用简化模型，分析过程简单，工作 效率高，尤其适用于高层结构抗倒塌设计的安全性分析。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：一种基于悬链线的坚向构件安全性分析方法，其特 点是该方法利用精细化模型与结构整体模型耦合得到的数值模型，为高层结构的倒塌形式 提供直观动态的数值模拟，分析某偶发及灾害工况下构件拆除处的水平构件悬链线机制的 开展情况进行抗倒塌设计，坚向构件的安全性分析及加强设计按下述步骤进行： (1)、确定薄弱部位及关键坚向构件 根据高层建筑的结构常规设计，采用通用结构有限元软件建立简化的空间杆系模型， 利用杆系模型对高层建筑的结构常规设计进行整体分析，确定结构的薄弱部位，并根据结 构体系确定关键坚向构件。
[0007] (2)、建立数值模型 根据高层建筑的结构常规设计，采用显式有限元软件中的梁、壳单元建立结构整体模 型，然后拆除上述确定的某一处薄弱部位或关键坚向构件，采用显式有限元软件中的实体 单元或纤维单元对拆除部位邻近构件建立精细化模型，将精细化模型与结构整体模型以共 用节点的方式进行耦合得到数值模型。
[0008] (3 )、数值模型的倒塌模拟 对上述建立的数值模型按规范加载正常使用荷载、偶发荷载和灾难荷载，并在此基础 上对偶发荷载或灾难荷载进行逐级加载，直至结构发生倒塌； (4)、计算抗倒塌储备强度比 计算倒塌时刻的某偶发荷载或灾难荷载的加载值与初始值的比值，得到结构在某偶发 荷载或灾难荷载下的抗倒塌储备强度比值，根据强度比值判断关键坚向构件是否需要进行 抗倒塌设计，如需要则进入悬链线机制的分析步骤，不需要则结束构件的安全性分析，即结 构不作调整。
[0009] (5)、悬链线机制的分析 对需要进行抗倒塌设计的关键坚向构件，则对拆除构件处水平构件的变形、水平构件 受压部分的单元失效情况以及水平构件受压区单元的应力逐一进行分析，得到该结构在倒 塌过程中水平构件由拱机制转变为悬链线机制的程度，以判断水平构件是否出现悬链线。
[0010] (6)、水平构件未出现悬链线的加强设计 如水平构件未出现悬链线，则说明拆除构件临近坚向构件的抗倒塌安全性不受水平构 件受力情况的影响，当加载达到结构抗倒塌储备强度比值时，拆除坚向构件的破坏可能会 导致结构整体倾覆倒塌，而对于拆除处的坚向构件，应根据目标的结构抗倒塌储备强度比 值进行构件的加强设计，即结构布置需要调整。
[0011] (7 )、水平构件出现悬链线的加强设计 如水平构件出现悬链线，则说明拆除构件处的水平构件在内力重分布后开始承受上部 结构传递的荷载，当拆除构件相邻坚向构件开始退出工作时，拆除构件处的水平构件仍与 周边构件保持连接，则说明水平构件的安全性大于坚向构件，由于水平构件的拉结作用，结 构倒塌的范围可能会进一步开展，应对结构的坚向构件进行加强设计，即结构布置需要调 整；若坚向构件开始退出工作前，水平构件已与周围构件发生脱离，则说明此处坚向构件的 安全性高于水平构件，关键构件可不进行加强设计，即结构布置不用调整。
[0012] (8)、加强设计的安全性检验 根据上述关键构件的加强设计所调整的内容对数值模型作相应的修改，将修改后的数 值模型重复上述（3) ~ (7)步骤进行加强设计的安全性检验，直到结构布置不再调整为止， 即结构的抗倒塌安全性满足预期的设计要求。
[0013] 所述偶发荷载为为炸药、燃气、粉尘、压力容器引起的爆炸荷载或运动物体引起的 撞击荷载。
[0014] 所述灾难荷载为地震、台风、爆炸或火灾荷载。
[0015] 本发明与现有技术相比具有通过数值模拟得到结构在发生倒塌时的加载情况，对 高层结构的抗倒塌能力进行评估，判断水平构件的拉结能力是否会导致连续性的倒塌发 生，结构分析过程简单，工作效率高，为关键构件进行抗连续倒塌设计提供了充分、可靠的 参数，得到直观、定量和较为准确的构件安全冗余度，尤其适用于高层结构抗倒塌设计的安 全性分析。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明流程示意图。
【具体实施方式】
[0017] 参阅附图1，本发明按下述步骤进行坚向构件的安全性分析及加强设计： (1)、确定薄弱部位及关键坚向构件 根据高层建筑的结构常规设计，采用通用结构有限元软件建立简化的空间杆系模型， 利用杆系模型对高层建筑的结构设计进行整体分析，确定结构的薄弱部位，并根据结构体 系确定关键坚向构件。
[0018] (2)、建立数值模型 根据高层建筑的结构常规设计，采用显式有限元软件中的梁、壳单元建立结构整体模 型，然后拆除上述确定的某一处薄弱部位或关键坚向构件，采用显式有限元软件中的实体 单元或纤维单元对拆除部位邻近构件建立精细化模型，将精细化模型与结构整体模型以共 用节点的方式进行耦合得到数值模型。
[0019] ( 3 )、数值模型的倒塌模拟 对上述建立的数值模型按规范加载正常使用荷载、偶发荷载及灾难荷载，并在此基础 上对偶发荷载或灾难荷载进行逐级加载，直至结构发生倒塌；所述偶发荷载为炸药、燃气、 粉尘、压力容器引起的爆炸荷载或运动物体引起的撞击荷载；所述灾难荷载为地震、台风、 爆炸或火灾荷载。
[0020] (4)、计算抗倒塌储备强度比 计算倒塌时刻的某偶发荷载或灾难荷载的加载值与初始值的比值，得到结构在某偶发 荷载或灾难荷载下的抗倒塌储备强度比值，根据强度比值判断关键坚向构件是否需要进行 抗倒塌设计，如需要则进入悬链线机制的分析步骤，不需要则结束构件的安全性分析，即结 构不作调整。
[0021] (5)、悬链线机制的分析 对需要进行抗倒塌设计的关键坚向构件，则对拆除构件处水平构件的变形、水平构件 受压部分的单元失效情况以及水平构件受压区单元的应力逐一进行分析，得到该结构在倒 塌过程中水平构件由拱机制转变为悬链线机制的程度，以判断水平构件是否出现悬链线。
[0022] (6)、水平构件未出现悬链线的加强设计 如水平构件未出现悬链线，则说明拆除构件临近坚向构件的抗倒塌安全性不受水平构 件受力情况的影响，当加载达到结构抗倒塌储备强度比值时，拆除坚向构件的破坏可能会 导致结构整体倾覆倒塌，而对于拆除处的坚向构件，应根据目标的结构抗倒塌储备强度比 值进行构件的加强设计，即结构布置需要调整。
[0023] ( 7 )、水平构件出现悬链线的加强设计 如水平构件出现悬链线，则说明拆除构件处的水平构件在内力重分布后开始承受上部 结构传递的荷载，当拆除构件相邻坚向构件开始退出工作时，拆除构件处的水平构件仍与 周边构件保持连接，则说明水平构件的安全性大于坚向构件，由于水平构件的拉结作用，结 构倒塌的范围可能会进一步开展，应对结构的坚向构件进行加强设计，即结构布置要需调 整；若坚向构件开始退出工作前，水平构件已与周围构件发生脱离，则说明此处坚向构件的 安全性高于水平构件，关键构件可不进行加强设计，即结构布置不用调整。
[0024] (8)、加强设计的安全性检验 根据上述关键构件的加强设计所调整的内容对数值模型作相应的修改，将修改后的数 值模型重复上述（3) ~ (7)步骤进行加强设计的安全性检验，直到结构布置不再调整为止， 即结构的抗倒塌安全性满足预期的设计要求。
[0025] 以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明 等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于悬链线的坚向构件安全性分析方法，其特征在于该方法利用精细化模型与 结构整体模型耦合得到的数值模型，为高层结构的倒塌形式提供直观动态的数值模拟，分 析某偶发及灾害工况下构件拆除处的水平构件悬链线机制的开展情况进行抗倒塌设计，坚 向构件的安全性分析及加强设计按下述步骤进行： (1) 、确定薄弱部位及关键坚向构件 根据高层建筑的结构常规设计，采用通用结构有限元软件建立简化的空间杆系模型， 利用杆系模型对高层建筑的结构常规设计进行整体分析，确定结构的薄弱部位，并根据结 构体系确定关键坚向构件； (2) 、建立数值模型 根据高层建筑的结构常规设计，采用显式有限元软件中的梁、壳单元建立结构整体模 型，然后拆除上述确定的某一处薄弱部位或关键坚向构件，采用显式有限元软件中的实体 单元或纤维单元对拆除部位邻近构件建立精细化模型，将精细化模型与结构整体模型以共 用节点的方式进行耦合得到数值模型； (3) 、数值模型的倒塌模拟 对上述建立的数值模型按规范加载正常使用荷载、偶发荷载和灾难荷载，并在此基础 上对偶发荷载或灾难荷载进行逐级加载，直至结构发生倒塌； (4) 、计算抗倒塌储备强度比 计算倒塌时刻的某偶发荷载或灾难荷载的加载值与初始值的比值，得到结构在某偶发 荷载或灾难荷载下的抗倒塌储备强度比值，根据强度比值判断关键坚向构件是否需要进行 抗倒塌设计，如需要则进入悬链线机制的分析步骤，不需要则结束构件的安全性分析，即结 构不作调整； (5) 、悬链线机制的分析 对需要进行抗倒塌设计的关键坚向构件，则对拆除构件处水平构件的变形、水平构件 受压部分的单元失效情况以及水平构件受压区单元的应力逐一进行分析，得到该结构在倒 塌过程中水平构件由拱机制转变为悬链线机制的程度，以判断水平构件是否出现悬链线； (6 )、水平构件未出现悬链线的加强设计 如水平构件未出现悬链线，则说明拆除构件临近坚向构件的抗倒塌安全性不受水平构 件受力情况的影响，当加载达到结构抗倒塌储备强度比值时，拆除坚向构件的破坏可能会 导致结构整体倾覆倒塌，而对于拆除处的坚向构件，应根据目标的结构抗倒塌储备强度比 值进行构件的加强设计，即结构布置需要调整； (7 )、水平构件出现悬链线的加强设计 如水平构件出现悬链线，则说明拆除构件处的水平构件在内力重分布后开始承受上部 结构传递的荷载，当拆除构件相邻坚向构件开始退出工作时，拆除构件处的水平构件仍与 周边构件保持连接，则说明水平构件的安全性大于坚向构件，由于水平构件的拉结作用，结 构倒塌的范围可能会进一步开展，应对结构的坚向构件进行加强设计，即结构布置需要调 整；若坚向构件开始退出工作前，水平构件已与周围构件发生脱离，则说明此处坚向构件的 安全性高于水平构件，关键构件可不进行加强设计，即结构布置不用调整； (8)、加强设计的安全性检验 根据上述关键构件的加强设计所调整的内容对数值模型作相应的修改，将修改后的数 值模型重复上述（3) ~ (7)步骤进行加强设计的安全性检验，直到结构布置不再调整为止， 即结构的抗倒塌安全性满足预期的设计要求。
2. 根据权利要求1所述基于悬链线的坚向构件安全性分析方法，其特征在于所述偶发 荷载为为炸药、燃气、粉尘、压力容器引起的爆炸荷载或运动物体引起的撞击荷载。
3. 根据权利要求1所述基于悬链线的坚向构件安全性分析方法，其特征在于所述灾难 荷载为地震、台风、爆炸或火灾荷载。
【文档编号】G06F17/50GK104091037SQ201410378903
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年8月4日 优先权日:2014年8月4日
【发明者】蒋瓅, 胡凯, 瞿革 申请人:中船第九设计研究院工程有限公司