一种基于位移响应的H型钢柱爆炸损伤评估方法与流程

本发明属于建筑结构构件损伤评估，尤其是涉及一种基于位移响应的h型钢柱爆炸损伤评估方法。

背景技术：

1、钢框架结构大多采用h型钢柱，h型钢柱作为结构主要竖向受力构件，在爆炸作用下的损伤破坏可能引发结构连续倒塌，造成更严重灾害，因此，对爆炸荷载作用下h型钢柱的损伤程度进行准确的评估十分重要。作为主要的承重构件，剩余承载力损伤指标能够准确评估钢柱的损伤程度，目前剩余承载力损伤准则多基于数值模拟的方法，在实际爆炸现场很难直接运用，基于剩余承载力的损伤准则很难用于爆炸现场的灾后评估；基于位移响应的损伤指标在爆炸现场可以直接测量得到，并用以评估钢柱的损伤程度，但是目前仅用柱端转角评估钢柱损伤程度，实际上局部损伤对钢柱的竖向承载力有削弱作用，目前的位移响应损伤指标没有全面考虑钢柱翼缘局部变形的影响。因此，有必要提出考虑迎爆面翼缘局部变形的位移响应损伤指标，建立公式拟合剩余承载力损伤指标与整体、局部位移响应损伤指标的关系，这样就可以通过测量爆炸现场h型钢柱的位移响应，进而准确且高效的对爆炸灾后h型钢柱的损伤程度进行评估。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了克服现有h型钢柱爆炸损伤评估方法的局限性，本发明旨在提出一种基于位移响应的h型钢柱爆炸损伤评估方法，通过测量h型钢柱的位移响应，能够预测剩余承载力损伤指标，进而对爆炸荷载作用下h型钢柱的损伤程度进行评估。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于位移响应的h型钢柱爆炸损伤评估方法，包括以下步骤：

4、步骤一：基于ls-dyna数值模拟不同爆炸荷载工况下h型钢柱的动力响应，模拟结果数据统计爆炸荷载作用下h型钢柱柱端转角和迎爆面翼缘局部变形大小；

5、步骤二：基于ls-dyna数值模拟计算剩余承载力损伤指标；

6、步骤三：基于无量纲化处理，根据h型钢柱柱端转角大小计算得到整体位移响应损伤指标，根据迎爆面翼缘局部变形大小计算得到局部位移响应损伤指标；

7、步骤四：拟合剩余承载力损伤指标随整体、局部位移响应损伤指标的变化关系，并建立h型钢柱爆炸损伤预测公式；

8、步骤五：基于已经建立的爆炸荷载作用下h型钢柱损伤预测公式，代入现场实测的整体和局部两个位移响应损伤指标值，计算得到h型钢柱剩余承载力损伤指标；

9、步骤六：根据剩余承载力损伤指标评估爆炸荷载作用下h型钢柱的损伤程度。

10、进一步的，步骤一的具体方法如下：

11、爆炸荷载作用下，h型钢柱受到冲击波作用发生整体弯曲变形和翼缘局部变形，基于ls-dyna数值模拟爆炸荷载作用下h型钢柱的动力响应，得到柱端转角和迎爆面翼缘局部变形的数据，以确定爆炸荷载作用下h型钢柱的位移响应。

12、进一步的，步骤二的具体方法如下：

13、基于ls-dyna数值模拟对爆炸荷载作用后的h型钢柱不断增大轴向力，直至钢柱失去承载力，进而计算得到h型钢柱的剩余承载力损伤指标，计算公式如下：

14、

15、其中，pr为爆炸荷载作用下钢柱轴向极限承载力；pu为不考虑爆炸荷载作用下h型钢柱轴力极限承载力。

16、进一步的，步骤三的具体方法如下：

17、将已测量得到的柱端转角和迎爆面翼缘变形大小进行无量纲化处理以消除物理量单位对最终拟合方程的影响，进而得到h型钢柱整体位移响应损伤指标θ和局部位移响应损伤指标y，无量纲化处理方法表示如下：

18、

19、式中，ai为数值模拟结果，amax为数值模拟结果最大值，amin为数值模拟结果最小值，ai'为无量纲化变量，采用无量纲化处理后各变量ai'的取值范围限于[0,1]；

20、进一步的，步骤四中，爆炸荷载作用下h型钢柱爆炸损伤预测公式如下：

21、d＝a·θ3+b·θ2+c·θ+e·y3+f·y2+g·y+h

22、其中d为剩余承载力的损伤指标，θ为整体位移响应损伤指标，y为局部位移响应损伤指标，a、b、c、e、f、g和h均为常量，由数值模拟结果拟合推导得到。

23、基于h型钢柱爆炸损伤预测公式(3)，根据整体位移响应损伤指标θ和局部位移响应损伤指标y，可计算得到h型钢柱剩余承载力损伤指标d。

24、更进一步的，h型钢柱爆炸损伤预测公式推导原理如下：

25、首先，h型钢柱基于剩余承载力的损伤指标d计算公式为：

26、

27、其中，pr为爆炸荷载作用下钢柱轴向极限承载力；pu为不考虑爆炸荷载作用下h型钢柱轴力作用极限承载力，对于h型钢柱来说可由欧拉公式计算得到。

28、然后，爆炸荷载作用下，h型钢柱发生整体弯曲变形，整体弯曲变形越大，随着钢柱轴向荷载逐渐增加，轴向荷载p-δ效应越明显，截面所受弯矩也不断增大，截面受压区边缘纤维应力不断增大；当逐渐增大轴向荷载直至达到h型钢柱破坏的轴向极限承载力pr时，考虑p-δ效应，h型钢柱截面验算公式如下：

29、

30、式中，δ为柱截面侧向位移；mp为截面完全受弯屈服时所承受的弯矩；np为截面完全受压屈服时截面轴力，计算公式如下：

31、np＝a'·fy (3)

32、式中，a'为截面有效面积，fy为钢材屈服强度。

33、考虑迎爆面翼缘局部变形时，翼缘有效宽度减小，则翼缘有效面积减小，截面有效面积a'减小，同时截面完全受弯屈曲弯矩mp减小。

34、由公式(1)、(2)和(3)可得，基于剩余承载力的损伤值d计算如下：

35、

36、最后，由公式(4)可知，整体位移响应损伤指标θ越大，截面水平位移δ越大，则剩余承载力损伤指标值d越大，故剩余承载力损伤指标值d和整体位移响应损伤指标θ呈正相关；本发明提出的局部位移响应损伤指标y能够反映爆炸荷载作用下迎爆面翼缘的局部变形程度，局部位移响应损伤指标y值越大，截面有效面积a'和截面完全受弯屈曲弯矩mp越小，剩余承载力损伤指标值d越大，故剩余承载力损伤指标值d和局部位移响应损伤指标y呈正相关。

37、由公式(4)可知，剩余承载力损伤指标和整体位移响应损伤指标、局部位移响应损伤指标具有显著相关性，并且剩余承载力损伤指标分别与整体位移响应损伤指标和局部位移响应损伤指标成正相关关系，因此，可进一步基于数值模拟的统计结果拟合h型钢柱爆炸损伤预测公式。

38、进一步的，步骤五的具体方法如下：

39、在爆炸灾后现场，实测h型钢柱的位移响应，进而得实测的整体和局部位移响应损伤指标，基于h型钢柱爆炸损伤预测公式计算剩余承载力损伤指标。

40、进一步的，步骤六的具体方法如下：

41、根据剩余承载力损伤指标值的不同，将h型钢柱的损伤程度划分为轻度破坏，中度破坏，重度破坏和完全破坏。其中，当剩余承载力损伤指标d为0～0.2时，此时钢柱整体变形不明显，局部可能产生损伤，可继续使用，定义为轻度破坏；当剩余承载力损伤指标d为0.2～0.5时，此时钢柱整体产生较大变形，局部损伤不明显，修复后可继续使用，定义为中度破坏；当剩余承载力损伤指标d为0.5～0.8时，此时钢柱整体变形十分明显，局部损伤明显，钢柱破坏，不建议继续使用，定义为重度破坏；当剩余承载力损伤指标d为0.8～1.0时，此时钢柱失效，定义为完全破坏。

42、本发明的有益效果为：相对于现有技术，本发明的h型钢柱爆炸损伤程度评估方法中，提出的位移响应损伤指标同时考虑了h型钢柱弯曲变形和迎爆面翼缘局部变形对h型钢柱竖向承载力的削弱作用，能够更加精确的确定爆炸荷载作用下h型钢柱的位移响应，准确预测h型钢柱的剩余承载力损伤指标，并通过公式拟合了剩余承载力损伤指标随整体位移响应损伤指标、局部位移响应损伤指标的变化关系，建立了h型钢柱爆炸损伤预测公式。

43、使用本发明的h型钢柱爆炸损伤预测公式和评估方法，通过测量爆炸现场h型钢柱的整体和局部位移响应，便能够预测h型钢柱的剩余承载力损伤指标，进而准确评估爆炸荷载作用下h型钢柱的损伤程度，为实际工程中h型钢柱的爆炸灾后性能评估提供技术支撑。