基于双向受力模型的墙体加固性能评价方法及装置

本发明涉及建筑墙体性能评估领域，具体涉及到一种基于双向受力模型的墙体加固性能评价方法及装置。

背景技术：

石化场所爆炸事故破坏极大，建筑物抗爆设计前，进行爆炸安全性风险评估是必要的技术措施。对于墙体抗爆性能不达标的情况，需要采取加固方法以调整墙体抗爆能力，因此如何评估加固后的墙体性能是石化建筑领域亟需解决的技术问题。

在现有技术中，在评价墙体的性能时，一般可以采用解析方法或者数值模拟方法。但是数值模拟方法存在建模过程繁琐，求解速度慢的缺点。而现有技术中的解析方法多采用等效静荷载法，基于单向板受力模型建立评价模型。但是瞬态爆炸冲击结构动力计算不再适用静载荷法，且单向受力模型与墙体实际受力情况差异较大，造成了评价误差较大的缺陷。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明根据采用解析方法，基于墙体双向受力模型，提供了一种基于双向受力模型的墙体加固性能评价方法及装置。

为达上述目的，本发明的一个实施例中提供了一种基于双向受力模型的墙体加固性能评价方法，包括以下步骤：

(1)基于墙体双向受力模型，建立燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法；

(2)对墙体进行抗爆性能评估，若抗爆性能不达标，则选择加固方法；

(3)采用步骤(1)中评估方法的评估加固后的墙体，如不满足抗爆性能要求，则返回步骤(2)，进一步加固墙体，直至满足抗爆性能要求。

进一步地，所述步骤(2)中的加固方法为抗爆涂层加固方法或纤维增强复合材料方法；

进一步地，当选择抗爆涂层加固方法时，其墙体极限弯矩承载力计算式为：

mp＝(13.26α1+0.39tp+0.496)hfpb

式中，mp为极限弯矩承载力；

α1为固定程度系数，当为四边简支双向受力模型时，α1＝0；当为四边固定双向受力模型固支时，α1＝1；

tp为涂层厚度；

h为墙体高度；

b为墙体长边尺寸；

fp为涂层抗拉强度；

进一步地，当选择纤维增强复合材料方法时，其墙体极限弯矩承载力计算式为：

式中，mp为极限弯矩承载力；

α2为砌体应力等效系数1；

β2为砌体应力等效系数2；

k为砌体与纤维增强复合材料应变比值系数；

d为砌体墙厚度；

fdm为砌体抗压强度；

b为墙体长边尺寸；

进一步地，所述步骤(2)中通过增加抗爆涂层或改变纤维增强复合材料排列方式来实现加固。

一种基于双向受力模型的墙体加固性能评价装置，包括：

第一评估模块；所述第一评估模块用于建立墙体双向受力模型条件下的燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法；

第二评估模块，所述第二评估模块用于对墙体进行抗爆性能评估，若抗爆性能不达标，则选择加固方法；

第三加固模块，所述第三加固模块采用所述第一评估模块中的评估方法的评估加固后的墙体，如不满足抗爆性能要求，则返回所述第二评估模块，进一步加固墙体，直至满足抗爆性能要求。

进一步地，所述第二评估模块包括抗爆涂层加固单元或纤维增强复合材料加固单元；

进一步地，所述抗爆涂层加固单元通过增加抗爆涂层来增强加固性能。

进一步地，所述纤维增强复合材料加固单元通过改变纤维增强复合材料排列方式来实现加固。

综上所述，本发明具有以下优点：本发明提供了一种基于双向受力模型的墙体加固性能评价方法，本发明改变传统单向受力模型，采用更符合墙体实际情况的双向受力模型，采用解析方法建立加固性能评价方法，与传统的数值cae三维有限元方法相比，显著降低了评估时间，可以对加固墙体进行快速响应评估。同时也能给石化抗爆领域中的抗爆涂层设计、纤维复合材料设计提供理论依据。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请的方法流程图；

图2为砌体墙加固前后的位移曲线；

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

为了克服现有技术中上述的不足，本发明提供了一种燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法，如图1所示，主要包括以下步骤：

(1)基于墙体双向受力模型，建立燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法；

(2)对墙体进行抗爆性能评估，若抗爆性能不达标，则选择加固方法；

(3)采用步骤(1)中评估方法的评估加固后的墙体，如不满足抗爆性能要求，则返回步骤(2)，进一步加固墙体，直至满足抗爆性能要求。

需要说明的是，步骤(1)在建立双向受力模型时，基于等效单自由度法，建立爆炸荷载作用下墙体构件响应的运动方程。其中定义四个基本作用力：等效外载荷、等效抗力、惯性力、阻尼力。等效外载荷是来自爆炸作用的瞬时动态作用力，即fe(t)。等效抗力来自于模型中弹簧单元的恢复力和结构势能，用kex(t)表示。惯性力定义为模型中有效质量的惯性作用力，即是构件在x方向的加速度。阻尼力大小与构件速度成正比，方向与构件振动速度方向相反，用表示。

则可得到爆炸荷载作用下结构响应的运动方程为

式中：me-构件等效质量；ke-构件等效刚度；ce-系统等效阻尼系数；fe-等效荷载；-构件在x方向的加速度；-构件在x方向的速度；x(t)-构件的位移；

定义等效质量系数km与等效荷载系数kl：

km＝me/mt

mt-构件实际质量；ft-实际荷载；k-构件刚度；c-系统阻尼系数；

采用中心差分方法迭代求解运动方程，运动方程表达式为：

根据构件自振周期t选取迭代求解时间间隔δt，为保证求解精度，迭代求解时间间隔δt取构件自振周期t的1/10，确定构件位移递推公式；

对于前墙构件，t＝0时，构件速度为0，第一时刻位移：

对于侧墙、屋顶及后墙构件，t＝0时，构件加速度为0，第一时刻位移：

联立位移递推公式、运动方程求解位移，并绘制等效自由度系统的位移随时间的变化曲线，并根据变化曲线获取构件峰值位移xmax；

根据构件峰值位移xmax，求取构件的支座转角θ，利用支座转角θ评估爆炸对构件的破坏效应；

其中支座转角θ计算式为：

式中：θ-构件的支座转角；

b-构件的长边尺寸；

xmax-构件的峰值位移。

需要说明的是，在建立爆炸荷载作用下墙体构件响应的运动方程时，将运动方程进一步化解为：

确定构件等效质量系数km与等效荷载系数kl：

λ＝a/b

对于四边简支双向受力模型：

kl＝6.25λ⁴-17.639×λ³+18.437×λ²-8.6379×λ+2.009

km＝0.0089×λ²-0.1948×λ+0.425

对于四边固定双向受力模型：

kl＝0.463×λ³-0.9524×λ²+0.4382×λ+0.5108

km＝-0.2×λ+0.51

式中：

a-墙体短边尺寸；

b-墙体长边尺寸；

确定抗力函数r(x)

(a)对于钢筋混凝土墙，当双向受力构件在弹性范围内时，墙体抗力和墙体中心位移分别为：

当双向受力构件在塑性范围内时，此时墙体抗力和墙体中心位移分别为：

式中：mp-构件极限弯矩；

对于弹塑性阶段，墙体抗力r取r1、r2平均值，此时墙体最大位移x取x1、x2平均值；

受剪承载力：

vn＝0.17(fdc)^0.5bd

rs＝vnb/(0.5b-h)

墙体极限承载力ru取r、rs两者最小值，对应构件位移xu值取x；

(b)对于砌体墙，当双向受力构件在弹性范围内时，此时墙体抗力和墙体中心位移分别为：

当双向受力构件在塑性范围内时，此时墙体抗力和墙体中心位移分别为：

式中：mp-构件极限弯矩

对于弹塑性阶段，墙体抗力r取r1、r2平均值，此时墙体最大位移x取x1、x2平均值；

受剪承载力：

vn＝2(0.012mmo+0.05)bh/3

rs＝vnb/(0.5b-h)

式中：

mcr-极限弯矩承载力；

mmo-砌体砂浆强度；

b-截面宽度；

h-截面高度；

墙体极限承载力ru取r、rs两者最小值，对应构件位移xu值取x；

确定系统阻尼系数c

确定构件临界阻尼系数：

系统阻尼系数c取构件临界阻尼系数值的5-10％。

需要说明的是，步骤(2)中的加固方法为抗爆涂层加固方法或纤维增强复合材料方法；

需要说明的是，当选择抗爆涂层加固方法时，其墙体极限弯矩承载力计算式为：

mp＝(13.26α1+0.39tp+0.496)hfpb

式中，mp为极限弯矩承载力；

α1为固定程度系数，当为四边简支双向受力模型时，α1＝0；当为四边固定双向受力模型固支时，α1＝1；

tp为涂层厚度；

h为墙体高度；

b为墙体长边尺寸；

fp为涂层抗拉强度；

进一步地，当选择纤维增强复合材料方法时，其墙体极限弯矩承载力计算式为：

式中，mp为极限弯矩承载力；

α2为砌体应力等效系数1；

β2为砌体应力等效系数2；

k为砌体与纤维增强复合材料应变比值系数；

d为砌体墙厚度；

fdm为砌体抗压强度；

b为墙体长边尺寸；

需要说明的是，所述步骤(2)中通过增加抗爆涂层或改变纤维增强复合材料排列方式来实现加固。

相应地，本发明也提供了一种基于双向受力模型的墙体加固性能评价装置，包括：第一评估模块；所述第一评估模块用于建立墙体双向受力模型条件下的燃爆事故中建筑墙体损伤评估方法；第二评估模块，所述第二评估模块用于对墙体进行抗爆性能评估，若抗爆性能不达标，则选择加固方法；第三加固模块，所述第三加固模块采用所述第一评估模块中的评估方法的评估加固后的墙体，如不满足抗爆性能要求，则返回所述第二评估模块，进一步加固墙体，直至满足抗爆性能要求。

为了便于本领域技术人员充分理解本发明的优点，通过实例计算、模型对比对本发明的计算结果进行了分析。

由爆炸安全性评估确定建筑物处冲击波超压为30kpa，正压作用时间60ms。建筑物长度25.5m，宽度9.5m，高度6.35m，砌体墙位于建筑侧面，墙体计算高度为5m，厚度240mm。加固涂层抗拉强度20mpa，厚度为6mm，纤维增强复合材料抗拉强度2100mpa，纤维增强复合材料条加固间距300mm，厚度0.12mm。

砌体墙加固前后位移曲线如图2所示，由计算结果可以看出普通砌体墙延展性差，具有脆性特征，抗弯、抗剪能力较弱、在爆炸载荷作用下损毁倒塌的特点。而在加固后，纤维增强复合材料加固砌体墙最大侧向位移300mm，支座转角为6.84°，超过了高风险区。聚脲涂层加固砌体墙最大侧向位移303mm，支座转角为6.89°，介于中风险与高风险之间。纤维增强复合材料、聚脲抗爆涂层加固墙体变形量基本相同，但由于喷涂聚脲加固可有效改变砌体结构的易碎、低抗弯强度、低应变能吸收等缺点，涂层的包覆作用还可以有效较少爆炸荷载下墙体产生的高速碎片，降低室内人员伤亡，因此涂层加固砌体墙允许变形量更大，加固后墙体风险低于纤维增强复合材料加固。

本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。