斗拱承载能力的预测方法及系统

本发明涉及古建筑木结构斗拱工作状态，尤其是涉及一种斗拱承载能力的预测方法及系统。

背景技术：

1、现有研究成果揭示了不同荷载作用下斗拱节点的变形特点、破坏形态、滞回耗能和刚度变化等宏观受力特征，且通过数值模拟重点关注了材性、接触单元和网格划分等建模技术问题，分析了斗拱构件的应力和应变等微观变化。但关于斗拱节点在外荷载作用下各类构件的变形模式和损伤特征等尚不明确。通过对现有斗拱节点模型进行评价总结，发现这些模型在兼顾斗拱几何尺寸、空间构造特点、构件相互作用及耗能减震的基本受力特征等方面稍有欠缺，在追踪斗拱层间滑移和转动等变形特征，以及直观和细致地描述斗拱损伤和破坏机理等宏观和微观受力特点等方面有待进一步提高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种斗拱承载能力的预测方法及系统，能够解决上述技术问题中的至少一个问题。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种斗拱承载能力的预测方法，所述方法包括步骤：

3、获取所述栌斗的测量数据，并将所述测量数据输入到预先训练好的弯矩模型得到所述斗拱的弯矩值；其中，所述测量数据包括竖向荷载值、底面极限应力值和顶部水平位移；

4、根据所述弯矩值预测所述斗拱的承载值；其中，所述承载值用于表征所述斗拱承载负载的能力。

5、优选地，所述方法还包括步骤：

6、获取所述栌斗的所述竖向荷载值和所述底面极限应力值；

7、将所述竖向荷载值输入到栌斗临界位置状态模型，得到栌斗临界位置状态转角正切值；

8、将所述底面极限应力值和所述竖向荷载值输入到栌斗临界工作状态模型，得到栌斗临界工作状态转角正切值；

9、获取栌斗转角正切值，将所述栌斗转角正切值和所述栌斗临界位置状态转角正切值相比较，根据比较结果，确定所述栌斗的位置状态；

10、将所述栌斗转角正切值和所述栌斗临界工作状态转角正切值相比较，根据比较结果，确定所述栌斗的工作状态；

11、根据所述栌斗的所述位置状态和所述工作状态构建弯矩模型；

12、其中，所述位置状态包括全截面偏压状态、临界状态和抬升状态，所述工作状态包括弹性状态和弹塑性状态，所述栌斗转角正切值为所述栌斗的底面与水平面的夹角的正切值。

13、优选地，所述栌斗临界位置状态模型为：

14、

15、其中，tanθc1为所述栌斗临界位置状态转角正切值，n为所述竖向荷载值，lcb为所述栌斗的底面边长，et为所述栌斗的所述横纹弦向抗压弹性模量。

16、优选地，所述栌斗临界工作状态模型为：

17、

18、其中，σpc为所述栌斗的底面极限应力值，tanθc2为所述栌斗临界工作状态转角正切值，n为所述竖向荷载值，lcb为所述栌斗的底面边长，h为所述栌斗的高度理论值，所述高度理论值为假设所述栌斗的垂直于水平面的截面为梯形时的所述栌斗的高度。

19、优选地，所述获取栌斗转角正切值，将所述栌斗转角正切值和所述栌斗临界位置状态转角正切值相比较，根据比较结果，确定所述栌斗的位置状态；将所述栌斗转角正切值和所述栌斗临界工作状态转角正切值相比较，根据比较结果，确定所述栌斗的工作状态，包括步骤：

20、获取所述栌斗的所述顶部水平位移，根据所述顶部水平位移计算得到所述栌斗转角正切值：

21、

22、其中，tanθ为所述栌斗转角正切值，δ为所述顶部水平位移，h为所述栌斗的所述高度理论值；

23、若所述栌斗转角正切值小于所述栌斗临界位置状态转角正切值且所述栌斗转角正切值小于栌斗临界工作状态转角正切值，则所述栌斗处于所述全截面偏压状态和弹性状态；

24、若所述栌斗转角正切值等于所述栌斗临界位置状态转角正切值且所述栌斗转角正切值小于栌斗临界工作状态转角正切值，则所述栌斗处于所述临界状态和弹性状态；

25、若所述栌斗转角正切值大于所述栌斗临界位置状态转角正切值且所述栌斗转角正切值小于栌斗临界工作状态转角正切值，则所述栌斗处于所述抬升状态和弹性状态；

26、若所述栌斗转角正切值小于所述栌斗临界位置状态转角正切值且所述栌斗转角正切值大于等于栌斗临界工作状态转角正切值，则所述栌斗处于所述全截面偏压状态和弹塑性状态；

27、若所述栌斗转角正切值等于所述栌斗临界位置状态转角正切值且所述栌斗转角正切值大于等于栌斗临界工作状态转角正切值，则所述栌斗处于所述临界状态和弹塑性状态；

28、若所述栌斗转角正切值大于所述栌斗临界位置状态转角正切值且所述栌斗转角正切值大于等于栌斗临界工作状态转角正切值，则所述栌斗处于所述抬升状态和弹塑性状态。

29、优选地，所述根据所述栌斗的所述位置状态和所述工作状态构建弯矩模型，包括步骤：

30、若所述栌斗处于全截面偏压状态和弹性状态，则构建栌斗底面弹性全截面偏压弯矩模型；

31、若所述栌斗处于全截面偏压状态和弹塑性状态，则构建栌斗底面弹塑性全截面偏压弯矩模型；

32、若所述栌斗处于临界状态和弹性状态，则构建栌斗底面弹性临界弯矩模型；

33、若所述栌斗处于临界状态和弹塑性状态，则构建栌斗底面弹塑性临界弯矩模型；

34、若所述栌斗处于抬升状态和弹性状态，则构建栌斗底面弹性抬升弯矩模型；

35、若所述栌斗处于抬升状态和弹塑性状态，则构建栌斗底面弹塑性抬升弯矩模型；

36、若所述栌斗处于所述弹性状态或所述弹塑性状态和未抬升状态或临界状态或抬升状态，则构建泥道拱底面与栌斗顶部接触面弯矩模型；

37、若所述栌斗处于所述弹性状态或所述弹塑性状态和未抬升状态或临界状态或抬升状态，则构建泥道拱侧面与栌斗顶部接触面弯矩模型。

38、优选地，所述栌斗底面弹性全截面偏压弯矩模型为：

39、

40、其中，m1为栌斗底面弹性全截面偏压弯矩值，δ为所述顶部水平位移，h为所述栌斗的所述高度理论值，n为所述竖向荷载值，lcb为所述栌斗的所述底面边长，et为所述栌斗的所述横纹弦向抗压弹性模量；

41、所述栌斗底面弹性临界弯矩模型为：

42、

43、其中，m2为栌斗底面弹性临界弯矩值，n为所述竖向荷载值，lcb为所述栌斗的所述底面边长；

44、所述栌斗底面弹性抬升弯矩模型为：

45、

46、其中，m3为栌斗底面弹性抬升弯矩值，n为所述竖向荷载值，lcb为所述栌斗的所述底面边长，le1为所述临界状态和所述弹性状态下的栌斗底面弹性段长度；

47、所述栌斗底面弹塑性全截面偏压弯矩模型为：

48、

49、其中，m4为栌斗底面弹塑性全截面偏压弯矩值，δ为所述顶部水平位移，h为所述栌斗的所述高度理论值，lcb为所述栌斗的所述底面边长，et为所述栌斗的所述横纹弦向抗压弹性模量，le2为所述全截面偏压状态和所述弹塑性状态下的栌斗底面弹性段长度；

50、所述栌斗底面弹塑性临界弯矩模型为：

51、

52、其中，m5为栌斗底面弹塑性临界弯矩值，le3为所述临界状态和所述弹塑性状态下的栌斗底面弹性段长度，σpc为所述栌斗的所述底面极限应力值，lcb为所述栌斗的所述底面边长；

53、所述栌斗底面弹塑性抬升弯矩模型为：

54、

55、其中，m6为栌斗底面弹塑性抬升弯矩值，le4为所述抬升状态和所述弹塑性状态下的栌斗底面弹性段长度，σpc为所述栌斗的所述底面极限应力值，ly为所述抬升状态和所述弹塑性状态下的栌斗底面塑性段长度，lcb为所述栌斗的所述底面边长，lt为抬升状态下栌斗底面与水平面非接触段长度；

56、所述泥道拱底面与栌斗顶部接触面弯矩模型为：

57、

58、其中，m7为泥道拱底面与栌斗顶部接触面弯矩值，et为所述栌斗的所述横纹弦向抗压弹性模量，wb为所述泥道拱的底部截面宽度，lct为所述栌斗的顶面边长，hn为所述泥道拱的高度，h为所述栌斗的所述高度理论值；

59、所述泥道拱侧面与栌斗顶部接触面弯矩模型为：

60、

61、其中，m8为泥道拱侧面与栌斗顶部接触面弯矩值，hl为所述泥道拱与所述栌斗的最大接触长度，h′w为所述栌斗的底部到所述泥道拱的底部的高度，wa为所述栌斗的顶部凹槽内侧壁与外侧壁的距离值，σd为所述泥道拱的侧面上部应力值，σc为所述泥道拱的侧面下部应力值，wn为所述泥道拱的宽度，h′l为所述泥道拱的顶部凹槽底面与所述泥道拱的底面的距离值。

62、优选地，所述临界状态和所述弹性状态下的栌斗底面弹性段长度的计算公式为：

63、

64、其中，le1为所述临界状态和所述弹性状态下的栌斗底面弹性段长度，hw为所述栌斗的高度，δ为所述顶部水平位移，h为所述栌斗的所述高度理论值，n为所述竖向荷载值，lcb为所述栌斗的所述底面边长，et为所述栌斗的所述横纹弦向抗压弹性模量；

65、所述全截面偏压状态和所述弹塑性状态下的栌斗底面弹性段长度的计算公式为：

66、

67、其中，le2为所述全截面偏压状态和所述弹塑性状态下的栌斗底面弹性段长度；σpc为所述栌斗的所述底面极限应力值，h为所述栌斗的所述高度理论值，n为所述竖向荷载值，lcb为所述栌斗的所述底面边长，et为所述栌斗的所述横纹弦向抗压弹性模量，tanθ为所述栌斗转角正切值；

68、所述临界状态和所述弹塑性状态下的栌斗底面弹性段长度的计算公式为：

69、

70、其中，le3为所述临界状态和所述弹塑性状态下的栌斗底面弹性段长度，n为所述竖向荷载值，lcb为所述栌斗的所述底面边长，σpc为所述栌斗的所述底面极限应力值；

71、所述抬升状态和所述弹塑性状态下的栌斗底面弹性段长度的计算公式为：

72、

73、其中，le4为所述抬升状态和所述弹塑性状态下的栌斗底面弹性段长度，σpc为所述栌斗的所述底面极限应力值，hw为所述栌斗的所述高度，et为所述栌斗的所述横纹弦向抗压弹性模量，δ为所述顶部水平位移，h为所述栌斗的所述高度理论值；

74、所述抬升状态和所述弹塑性状态下的栌斗底面塑性段长度的计算公式为：

75、

76、其中，ly为所述抬升状态和所述弹塑性状态下的栌斗底面塑性段长度，le4为所述抬升状态和所述弹塑性状态下的栌斗底面弹性段长度，hw为所述栌斗的所述高度，δ为所述顶部水平位移，h为所述栌斗的所述高度理论值，n为所述竖向荷载值，lcb为所述栌斗的所述底面边长，et为所述栌斗的所述横纹弦向抗压弹性模量；

77、所述泥道拱的侧面上部应力值的计算公式为：

78、

79、其中，σd为所述泥道拱的侧面上部应力值，hl为所述泥道拱与所述栌斗的最大接触长度，et为所述栌斗的所述横纹弦向抗压弹性模量，δ为所述顶部水平位移，wb为所述泥道拱的宽度，h为所述栌斗的所述高度理论值；

80、所述泥道拱侧面下部的应力的计算公式为：

81、

82、其中，σc为所述泥道拱的侧面下部应力值，δs为所述泥道拱与所述栌斗的接触面形变值，wa为所述栌斗的顶部凹槽内侧壁与外侧壁的距离值，h为所述栌斗的所述高度理论值，δ为所述顶部水平位移，er为栌斗的横纹径向抗压弹性模量；

83、所述泥道拱与所述栌斗的接触面形变值的计算公式为：

84、

85、其中，δs为所述泥道拱与所述栌斗的接触面形变值，h′w为所述栌斗的底部到所述泥道拱的底部的高度，nn为所述栌斗的泥道拱向荷载值，lct为所述栌斗的顶面边长，er为所述栌斗的所述横纹径向抗压弹性模量，wb为所述泥道拱的宽度；

86、所述栌斗的泥道拱向荷载值的计算公式为：

87、

88、其中，nn为所述栌斗的泥道拱向荷载值，n为所述竖向荷载值，an0为所述泥道拱与所述栌斗的接触面积，a0为所述栌斗的受压区面积。

89、优选地，所述获取所述栌斗的测量数据，并将所述测量数据输入到预先训练好的弯矩模型得到所述斗拱的弯矩值，包括以下步骤：

90、获取所述栌斗的顶部水平位移，将其输入至所述栌斗底面弹性全截面偏压弯矩模型，得到所述栌斗底面弹性全截面偏压弯矩值；

91、获取所述栌斗的竖向荷载值，将其输入至所述栌斗底面弹性临界弯矩模型，得到所述栌斗底面弹性临界弯矩值；

92、获取所述栌斗的竖向荷载值和顶部水平位移，将其输入至所述栌斗底面弹性抬升弯矩模型，得到所述栌斗底面弹性抬升弯矩值；

93、获取所述栌斗的底面极限应力值、竖向荷载值和顶部水平位移，将其输入至所述栌斗底面弹塑性全截面偏压弯矩模型，得到所述栌斗底面弹塑性全截面偏压弯矩值；

94、获取所述栌斗的底面极限应力值和竖向荷载值，将其输入至所述栌斗底面弹塑性临界弯矩模型，得到所述栌斗底面弹塑性临界弯矩值；

95、获取所述栌斗的底面极限应力值、竖向荷载值和顶部水平位移，将其输入至所述栌斗底面弹塑性抬升弯矩模型，得到所述栌斗底面弹塑性抬升弯矩值；

96、获取所述栌斗的顶部水平位移，将其输入至泥道拱底面与栌斗顶部接触面弯矩模型，得到所述泥道拱底面与栌斗顶部接触面弯矩值；

97、获取所述栌斗的竖向荷载值和顶部水平位移，将其输入至所述泥道拱侧面与栌斗顶部接触面弯矩模型，得到所述泥道拱侧面与栌斗顶部接触面弯矩值

98、本发明实施例提供的一种斗拱承载能力的预测方法带来了以下有益效果：

99、本发明实施例提供了一种斗拱承载能力的预测方法，通过将获取的栌斗的竖向荷载值、木材顺纹、横纹弦向及径向的抗压弹性模量和极限压应变和应力值和顶部水平位移输入到预先训练好的弯矩模型中来得到斗拱的弯矩值，再根据该弯矩值对斗拱的承载值进行预测，进而根据该承载值表征出斗拱的承载能力。该方法中的弯矩模型对于斗栱各部件在外荷载作用下的变形模式、损伤特征、几何尺寸、空间构造特点、相互作用、耗能减震和基本受力特征等方面进行了准确的量化，通过该弯矩模型得出的弯矩值完整的表征出了斗拱层间滑移和转动等变形特征，以及斗拱损伤和破坏机理等宏观和微观的受力特点。

100、第二方面，本发明实施例提供了一种斗拱承载能力的预测系统，应用于任一项所述的斗拱承载能力的预测方法，所述系统包括：

101、获取模块，用于获取栌斗的测量数据，并将所述测量数据输入到预先训练好的弯矩模型得到所述斗拱的弯矩值；其中，所述测量数据包括竖向荷载值、底面极限应力值和顶部水平位移；

102、预测模块，用于根据所述弯矩值预测所述斗拱的承载值；其中，所述承载值用于表征所述斗拱承载负载的能力。

103、由于该斗拱承载能力的预测系统采用上述斗拱承载能力的预测方法，故具有上述斗拱承载能力的预测方法中的有益效果，在此不再赘述。