一种异形结构板极限承载力及破坏模式获取方法及系统与流程

本发明实施例涉及结构工程技术领域，更具体地，涉及一种异形结构板极限承载力及破坏模式获取方法及系统。

背景技术：

钢筋混凝土板是结构工程中的主要承重构件之一，并得到广泛应用。由于弹性设计不能有效发挥材料的塑性性能且经济性差，因此对于由延性材料形成的设计，考虑其塑性发展成为必然，而确定板的塑性极限承载能力对工程设计中的塑性设计有着重要的指导作用。

对钢筋混凝土板进行极限状态分析，通常采用极限分析法和数值模拟方法。较之数值模拟方法，如有限元法，前者基于经典塑性铰线(屈服线)理论，通过假定板的极限状态破坏模式进行试算，使承载力求解问题大大简化，计算容易，具有较强的实用性。由于异形板结构因几何形状或作用荷载形式复杂等原因，在常规方式(图解法或试算法)下很难奏效，有时甚至不可行，故在工程应用中受诸多限制，适用范围有限。因此，亟需提供一种异形结构板极限承载力及破坏模式获取方法。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种异形结构板极限承载力及破坏模式获取方法及系统。

第一方面本发明实施例提供了一种异形结构板极限承载力及破坏模式获取方法，包括：

基于异形结构板的数值分析模型，根据塑性绞线理论，采用栅格点阵对所述异形结构板进行离散处理，得到多个节点及所述多个节点之间的连线；

求解预设数学优化方程，得到所述异形结构板的结构极限破坏荷载系数及临界破坏模式；其中，所述预设数学优化方程以所述多个节点及所述多个节点之间的连线为研究对象，以节点几何相容方程、流动法则以及边界条件为约束调条件。

另一方面本发明实施例提供了一种异形结构板极限承载力及破坏模式获取系统，包括：

离散模块，用于基于异形结构板的数值分析模型，根据塑性绞线理论，采用栅格点阵对所述异形结构板进行离散处理，得到多个节点及所述多个节点之间的连线；

求解模块，用于求解预设数学优化方程，得到所述异形结构板的结构极限破坏荷载系数及临界破坏模式；其中，所述预设数学优化方程以所述多个节点及所述多个节点之间的连线为研究对象，以节点几何相容方程、流动法则以及边界条件为约束调条件。

第三方面本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面提供的异形结构板极限承载力及破坏模式获取方法的步骤。

第四方面本发明实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面提供的异形结构板极限承载力及破坏模式获取方法的步骤。

本发明实施例提供的一种异形结构板极限承载力及破坏模式获取方法及系统，规避了现有技术中人为假设屈服线破坏模式的不足，提高确定异形结构板极限承载力的计算效率和精度，更为直接地揭示板结构的破坏情况，丰富结构设计及研究人员的分析手段和方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种异形结构板极限承载力及破坏模式获取方法的流程图；

图2为本发明实施例中一种异形结构板的几何模型；

图3为本发明实施例中异形结构板栅格点阵离散示意图；

图4为本发明实施例中异形结构板屈服线优化布置示意图；

图5为本发明实施例中异形结构板临界破坏模式示意图；

图6为本发明实施例中异形结构板极限承载力及临界破坏模式数值计算流程图；

图7为本发明实施例提供的一种异形结构板极限承载力及破坏模式获取系统的结构框图；

图8为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种异形结构板极限承载力及破坏模式获取方法的流程图，如图1所示，包括：

s101，基于异形结构板的数值分析模型，根据塑性绞线理论，采用栅格点阵对所述异形结构板进行离散处理，得到多个节点及所述多个节点之间的连线；

s102，求解预设数学优化方程，得到所述异形结构板的结构极限破坏荷载系数及临界破坏模式；其中，所述预设数学优化方程以所述多个节点及所述多个节点之间的连线为研究对象，以节点几何相容方程、流动法则以及边界条件为约束调条件。

本发明实施例提供的一种异形结构板极限承载力及破坏模式获取方法，规避了现有技术中人为假设屈服线破坏模式的不足，提高确定异形结构板极限承载力的计算效率和精度，更为直接地揭示板结构的破坏情况，丰富结构设计及研究人员的分析手段和方法。

在上述实施例中，在步骤s101之前还包括：

获取所述异形结构板的边界条件、受荷条件及几何尺寸，并根据所述异形结构的边界条件、受荷条件及几何尺寸为所述异形结构板赋值抗弯特性；

根据所述异形结构板的边界条件、受荷条件、几何尺寸及抗弯特性建立所述异形结构板的所述数值分析模型。

具体地，确定板结构边界条件、受荷条件及几何尺寸，赋值板结构抗弯特性(单向或双向抗弯抵抗力矩)，建立数值分析模型，如图2所示。

在上述实施例中，在步骤s101中，所述采用栅格点阵对所述异形结构板进行离散处理，具体包括：

采用均匀分布或者非均匀分布的栅格点阵对所述异形结构板进行离散处理，且在所述异形结构板的边界或特征区域增加栅格点的数量至常规区域的预设倍数。

且所述预设数学优化方程的目标函数为最小化屈服线内力功。

具体地，根据塑性铰线理论，采用栅格点阵对结构板进行离散，以节点及节点间连线(潜在屈服线)为研究对象，建立满足节点几何相容方程，流动法则及边界条件的临界屈服线分布线性数学规划方程。

具体地，采用栅格点阵离散的几何区域，存在n个节点，m个潜在连线，如图3所示，构建以板结构极限承载力系数为目标函数，以几何相容方程、流动法则及边界条件为约束条件的数学规划方程，即：

其中，目标函数为最小化屈服线内力功，受约束于节点相容条件、塑性流动准则、虚功原理要求的归一化条件以及内力功为正的约束条件。λ为无量纲的极限荷载系数；p和g为塑性算子及相应功方程的系数矩阵；b为屈服线方向余弦协调矩阵；d为屈服线相对位移矩阵，一般包括法向旋转、扭转及作用面外方向的位移；n为塑性流动矩阵；fl为屈服线上作用的活荷载矢量。屈服线位移d和塑性算子p为数学规划方程的优化变量。

具体地，以结构板任意一屈服线i为例，

其中，为屈服线与坐标轴水平方向夹角(以逆时针方向为正)；l为屈服线i的长度；θn、θt、δ分别为屈服线i的法向转动、扭转、作用面外的移(平)动位移。

一般地，当且仅当自由边界和对称面时，屈服线θt、δ位移为非零；内力功仅与法向旋转θn关联，因此，

其中，p⁺，p^-分别为正的塑性算子变量；若假设板为各向同性，则mp⁺，mp^-分别为板结构单位长度正负抵抗力矩；fl一般通过作用荷载和面积分获得。

栅格点阵离散可以是均匀分布，亦可是非均匀分布，一般在边界或特征区域(作用荷载、板结构预留孔洞等构造区域)增加离散节点分布数量，一般为常规离散区域节点数量的1.5～2.0倍，如图3所示。

在上述实施例中，在步骤s102中，所述求解预设数学优化方程，得到所述异形结构板的结构极限破坏荷载系数及临界破坏模式，具体包括：

采用内点法求解所述预设数学优化方程，得到所述异形结构板的结构极限破坏荷载系数及临界破坏模式。

述采用内点法求解所述预设数学优化方程，具体包括：

采用内点法求解所述预设数学优化方程过程中，利用基结构法对所述预设数学优化方程进行迭代计算。

所述利用基结构法对所述预设数学优化方程进行迭代计算，具体包括：

以相邻节点之间连线为初始值，进行首步优化计算；

逐步增加节点之间连线间距，迭代计算获得屈服线临界布置，构造破坏模式；

进一步细分离散节点并重复上述步骤，直至获得所述预设数学优化方程满足工程需求的最优解。

具体地，采用内点法进行数学优化方程的求解，确定屈服线布置或临界破坏模式，以及板结构极限破坏荷载系数。

采用内点法进行求解，极限荷载系数和屈服线分布等优化变量即可获得，临界破坏模式通过离散节点和连接线布置构造而成，如图4和图5所示，即：

离散节点及其连接线构造屈服线布置，借鉴基结构法进行迭代计算，增强计算效率；

基结构法以相邻节点间连线(水平、竖直、对角线)为初始值，进行首步优化计算；

逐步增加节点间连线间距(或长度)，迭代计算，获得屈服线临界布置，构造破坏模式，如图4；

细分离散节点(增加离散点密度)，可提高优化变量的计算精度，获得满足工程需要的最优解(一般离散节点数量超过500)。

综上所述，本发明实施例提出了一种异形板结构极限承载力及其临界破坏模式计算方法，在具体实施时，其中一种完整作业流程详见图6所示，为异形板结构的设计提供了理论依据和计算手段。

图7为本发明实施例提供的一种异形结构板极限承载力及破坏模式获取系统的结构框图，如图7所示，包括离散模块701和求解模块702。其中：

离散模块701用于基于异形结构板的数值分析模型，根据塑性绞线理论，采用栅格点阵对所述异形结构板进行离散处理，得到多个节点及所述多个节点之间的连线。求解模块702用于求解预设数学优化方程，得到所述异形结构板的结构极限破坏荷载系数及临界破坏模式；其中，所述预设数学优化方程以所述多个节点及所述多个节点之间的连线为研究对象，以节点几何相容方程、流动法则以及边界条件为约束调条件。

进一步地，所述系统还包括模型建立模块，具体用于：

获取所述异形结构板的边界条件、受荷条件及几何尺寸，并根据所述异形结构的边界条件、受荷条件及几何尺寸为所述异形结构板赋值抗弯特性；

根据所述异形结构板的边界条件、受荷条件、几何尺寸及抗弯特性建立所述异形结构板的所述数值分析模型。

进一步地，离散模块701具体用于：

采用均匀分布或者非均匀分布的栅格点阵对所述异形结构板进行离散处理，且在所述异形结构板的边界或特征区域增加栅格点的数量至常规区域的预设倍数。

进一步地，求解模块702具体用于：

采用内点法求解所述预设数学优化方程，得到所述异形结构板的结构极限破坏荷载系数及临界破坏模式。

本发明实施例提供的一种异形结构板极限承载力及破坏模式获取系统，规避了现有技术中人为假设屈服线破坏模式的不足，提高确定异形结构板极限承载力的计算效率和精度，更为直接地揭示板结构的破坏情况，丰富结构设计及研究人员的分析手段和方法。

图8为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图8所示，电子设备包括：处理器(processor)801、通信接口(communicationsinterface)802、存储器(memory)803和总线804，其中，处理器801，通信接口802，存储器803通过总线804完成相互间的通信。处理器801可以调用存储器803中的逻辑指令，以执行如下方法，例如包括：基于异形结构板的数值分析模型，根据塑性绞线理论，采用栅格点阵对所述异形结构板进行离散处理，得到多个节点及所述多个节点之间的连线；求解预设数学优化方程，得到所述异形结构板的结构极限破坏荷载系数及临界破坏模式；其中，所述预设数学优化方程以所述多个节点及所述多个节点之间的连线为研究对象，以节点几何相容方程、流动法则以及边界条件为约束调条件。

上述的存储器802中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：基于异形结构板的数值分析模型，根据塑性绞线理论，采用栅格点阵对所述异形结构板进行离散处理，得到多个节点及所述多个节点之间的连线；求解预设数学优化方程，得到所述异形结构板的结构极限破坏荷载系数及临界破坏模式；其中，所述预设数学优化方程以所述多个节点及所述多个节点之间的连线为研究对象，以节点几何相容方程、流动法则以及边界条件为约束调条件。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的通信设备等实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。