本发明涉及安全监测技术领域，特别是一种地下结构抗震倒塌能力的分析方法及系统。
背景技术：
动力增量分析法（incrementaldynamicanalysis，ida）是将地震动的加速度分别乘以一系列比例系数，使之成为一组不同强度的地震动，结构在这组地震动荷载作用下，分别进行非线性动力时程分析，得到地震动强度与结构性能参数的曲线，即ida曲线，来研究结构在地震荷载作用下损伤破坏的全过程。该方法最早由bertero提出，vamvatsikos&comell则进行了系统的总结和阐述，并被fema35，fema351采用，作为分析结构整体倒塌能力的方法。ida分析方法的重点是选取合适的地震动强度im和结构性能参数dm，并且为使计算结果达到精度的同时减少运算量，要选取合适的调幅准则。
ida分析方法的基本步骤为：
1.选择代表性结构，建立结构的弹塑性分析模型；
2.选择代表结构所处场地的地震动记录；
3.选择地震动强度参数im和结构性能参数dm；
4.对某一条地震动记录进行单调调幅，得到调幅后的一系列地震动记录；
5.单条ida曲线分析；
6.变换原始地震动记录，重复步骤4-5，得到多条ida曲线；
7.多条ida曲线数据处理；
8.用ida结果评估结构的抗震性能。
地下结构土-结构相互作用模型由于要考虑动力边界，规模较大，一次计算就要耗费大量机时。土体在地震中会进入强烈非线性状态，并且土体非线性本构模型众多。综上所述，如果地下结构进行ida分析，会耗费大量机时，甚至不可行，因此要进行修正。
技术实现要素：
鉴于此，本发明提供一种地下结构抗震倒塌能力的分析方法及系统，采用的反应加速度法是拟静力抗震计算方法，用静力的方法分析动力的问题，成功解决了地下结构考虑动力边界的土-结构相互作用模型一次计算大量耗费机时问题，计算效率高；土体非线性结构采用等效线性化模型，避免土体不同非线性本构模型带来的影响。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种地下结构抗震倒塌能力的分析方法，包括：
根据地下结构所处场地的地震动记录，确定地震强度参数im；
构建一维土体自由场等效线性化模型，分别计算地下结构顶部、底部所处土层相对位移最大时刻的各土层加速度、等效剪切模量和弹性模量；
构建土-结构相互作用模型，计算地下结构在重力作用下的单元内力；
构建框架结构构件截面模型，计算截面弯矩-曲率，得到地下结构塑性铰参数；
构建含有塑性铰的土-结构相互作用平面模型，计算地震动作用下的地下结构性能参数dm。
进一步地，确定地震强度参数im，包括：选取地震动记录中的地震动峰值加速度作为地震强度参数im。
进一步地，构建一维土体自由场等效线性化模型，包括：将土体沿深度划分土层，土体采用等效线性化模型。
进一步地，计算地震动作用下的地下结构性能参数dm之后，还包括：绘制单条ida曲线。
进一步地，对单条ida曲线进行分析，包括：计算小调幅地震动记录下结构的动力反应，得到第1个dm-im点；将原点与第1个dm-im点之间连线的弹性斜率记做；继续计算下一调幅地震动记录下结构的动力反应，如该点地下结构出现屈服，则为结构屈服点；继续计算下一调幅地震动记录下结构的动力反应，得到下一个dm-im点，如该点与前一个dm-im点之间的斜率大于，或者此点的层间位移角大于10%，继续计算下一调幅地震动下的dm-im点，否则认为结构将发生倒塌，其中，0<α<1.0,一般α取为0.2。
进一步地，还包括：变换原始地震动记录，得到多条ida曲线，并分别进行分析。
进一步地，构建土-结构相互作用模型，包括：采用有限元软件构建土-结构相互作用模型。
进一步地，计算截面弯矩-曲率，包括：采用截面能力分析软件计算截面弯矩-曲率。
本发明还提供一种地下结构抗震倒塌能力的分析系统，包括：
地震强度参数设定模块，用于根据地下结构所处场地的地震动记录，确定地震强度参数im；
一维土体自由场等效线性化模型构建计算模块，用于构建一维土体自由场等效线性化模型，并且分别计算地下结构顶部、底部所处土层相对位移最大时刻的各土层加速度、等效剪切模量和弹性模量；
土-结构相互作用模型第一构建计算模块，用于构建土-结构相互作用模型，并且计算地下结构在重力作用下的单元内力；
框架结构构件截面模型构建计算模块，用于构建框架结构构件截面模型，并且计算截面弯矩-曲率，以得到地下结构塑性铰参数；
土-结构相互作用模型第二构建计算模块，用于构建含有塑性铰的土-结构相互作用平面模型，并计算地震动作用下的地下结构性能参数dm。
进一步地，还包括：ida曲线绘制模块，用于绘制ida曲线。
进一步地，还包括：ida曲线分析模块，用于分析ida曲线，得到该ida曲线的屈服点、倒塌点等。
进一步地，所述土-结构相互作用模型第一构建计算模块和土-结构相互作用模型第二构建计算模块均采用有限元软件。
进一步地，所述框架结构构件截面模型构建计算模块采用截面能力分析软件。
本发明提供一种地下结构抗震倒塌能力的分析方法，具有如下有益效果：
1.采用的反应加速度法为拟静力抗震计算方法，用静力的方法分析动力的问题，成功解决了地下结构考虑动力边界的土-结构相互作用模型一次计算大量耗费机时问题，计算效率高；
2.土体非线性采用等效线性化模型，避免土体不同非线性本构模型带来的影响；
3.土体非线性采用一维自由场等效线性化，可以采用一维场地土层地震响应分析的通用程序计算，结构非线性采用集中塑性铰模型，可以使用通用有限元软件进行计算。
地下结构抗震倒塌能力的分析系统的有益效果与地下结构抗震倒塌能力的分析方法类似，不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的地下结构抗震倒塌能力的分析方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所提供的地下结构抗震倒塌能力的分析系统的结构框架图;
图3为地下车站截面及配筋图；
图4为地下车站混凝土材料参数；
图5为土层参数；
图6为elcentro地震波加速度时程；
图7为土体等效线性化模型；
图8为地下车站顶板与底板相对位移最大时刻的各土层加速度沿深度分布图；
图9为地下车站顶板与底板相对位移最大时刻的等效剪切模量沿深度分布图；
图10为地下车站顶板与底板相对位移最大时刻的弹性模量沿深度分布图；
图11为截面能力分析模型中柱截面图；
图12为含塑性铰的土-结构相互作用模型的示意图；
图13为框架塑性铰分布示意图；
图14为单条ida曲线图。
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、完整地描述，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。
以下结合具体情况说明本发明的示例性实施例：
本发明提供一种地下结构抗震倒塌能力的分析方法，主要包括以下步骤：
根据地下结构所处场地的地震动记录，确定地震强度参数im；
构建一维土体自由场等效线性化模型，分别计算地下结构顶部、底部所处土层相对位移最大时刻的各土层加速度、等效剪切模量和弹性模量；
构建土-结构相互作用模型，计算地下结构在重力作用下的单元内力；
构建框架结构构件截面模型，计算截面弯矩-曲率，得到地下结构塑性铰参数；
构建含有塑性铰的土-结构相互作用平面模型，计算地震动下的地下结构性能参数dm。
请参考图1，图1为本发明实施例所提供的地下结构抗震倒塌能力的分析方法的流程示意图；本实施例提供一种地下结构抗震倒塌能力的分析方法，具体包括以下步骤：
步骤s101、根据地下结构所处场地的地震动记录，确定地震强度参数im。
在本实施例中，选取地震动记录中的地震动峰值加速度作为地震强度参数im。
步骤s102、构建一维土体自由场等效线性化模型，分别计算地下结构顶部、底部所处土层相对位移最大时刻的各土层加速度、等效剪切模量和弹性模量。
其中，构建一维土体自由场等效线性化模型，包括：将地下结构的土体沿深度划分土层，土体采用等效线性化模型。
步骤s103、构建土-结构相互作用模型，计算地下结构在重力作用下的单元内力。
其中，构建土-结构相互作用模型，包括：采用有限元软件构建土-结构相互作用模型。
步骤s104、构建框架结构构件截面模型，计算截面弯矩-曲率，得到地下结构塑性铰参数。
其中，计算截面弯矩-曲率，包括：采用截面能力分析软件计算截面弯矩-曲率。
步骤s105、构建含有塑性铰的土-结构相互作用平面模型，计算地震动作用下的地下结构性能参数dm。
步骤s106、绘制单条ida曲线，并对单条ida曲线进行分析。
其中，对单条ida曲线进行分析，包括：计算小调幅地震动记录下结构的动力反应，得到第1个dm-im点；将原点与第1个dm-im点之间连线的弹性斜率记做；继续计算下一调幅地震动记录下结构的动力反应，如该点地下结构出现屈服，则为结构屈服点；继续计算下一调幅地震动记录下结构的动力反应，得到第下一个dm-im点，如该点与前一个dm-im点之间的斜率大于，或者此点的层间位移角大于10%，继续计算下一调幅地震动下的dm-im点，否则认为结构将发生倒塌，其中，0<α<1.0,一般α取为0.2。
步骤s107、变换原始地震动记录，得到多条ida曲线，并分别进行分析。
本发明实施例还提供一种地下结构抗震倒塌能力的分析系统，包括：
地震强度参数设定模块201，用于根据地下结构所处场地的地震动记录，确定地震强度参数im；
一维土体自由场等效线性化模型构建计算模块202，用于构建一维土体自由场等效线性化模型，并且分别计算地下结构顶部、底部所处土层相对位移最大时的各土层加速度、等效剪切模量和弹性模量；
土-结构相互作用模型第一构建计算模块203，用于构建土-结构相互作用模型，并且计算地下结构在重力作用下的单元内力；
框架结构构件截面模型构建计算模块204，用于构建框架结构构件截面模型，并且计算截面弯矩-曲率，以得到地下结构塑性铰参数；
土-结构相互作用模型第二构建计算模块205，用于构建含有塑性铰的土-结构相互作用平面模型，并计算地震动作用下的地下结构性能参数dm。
进一步地，还包括：ida曲线绘制模块206，用于绘制ida曲线。
进一步地，还包括：ida曲线分析模块207，用于分析ida曲线，得到该ida曲线的屈服点、倒塌点等。
进一步地，所述土-结构相互作用模型第一构建计算模块和土-结构相互作用模型第二构建计算模块均采用有限元软件。进一步地，所述框架结构构件截面模型构建计算模块采用截面能力分析软件。
以下结合具体实例详述本发明实施例所提供的地下结构抗震倒塌能力的分析方法的具体操作过程：
以工程：某地下车站3层3跨、土层厚70m、结构埋深10m、ⅲ类场地、采用elcentro地震波，为例进行说明。
地下车站选取两层双柱三跨混凝土框架结构；截取典型的横向断面作为设计截面，设计截面框架由顶板、底板、上下中板、双中柱、侧墙组成；车站宽度为24.8m，高为20.8m，其中顶板厚度为0.8m，上下中板厚度为0.4m，底板厚度为1.0m，中柱为0.6×1.3m矩形截面，侧墙厚度为0.9m；车站截面及配筋见图3；。
车站结构中柱混凝土采用c40，其余混凝土采用c30；其混凝土材料参数参见图4；土层参数参见图5，其中，地震波从基岩输入；elcentro地震波记录参见图6。
进行一维土体自由场分析，将土层厚度沿深度划分，分层厚度取1m。土体等效线性化参数参见图7，图中，下降曲线是剪切模量衰减曲线，上升曲线是阻尼曲线。
输入1倍elcentro地震波，计算得到地下车站顶板与底板相对位移最大时刻的各土层加速度、等效剪切模量及弹性模量,参见图8、图9和图10。
塑性铰弯矩-转角计算。塑性铰弯矩-曲率参数由截面能力分析软件求得。车站中柱保护层厚度30mm，hrb335钢筋，所建截面能力模型见图11。
构建含塑性铰的土-结构相互作用模型，土-结构相互作用模型顶部取自由地表面，底部边界为固定边界，两侧边界为固定竖直方向、释放水平方向约束，示意图见图12。为考虑非线性，在地下结构框架梁单元上设置塑性铰，见图13。
采用反应加速度法计算地下结构的层间位移角，绘制在该地震波下的ida曲线，并计算得到该ida曲线的屈服点和倒塌点，如图14所示。
之后进行背景技术中的ida分析方法的基本步骤：
6.变换原始地震动记录得到多条ida曲线；
7.多条ida曲线数据处理；
8.用ida结果评估结构的抗震性能。
ida分析方法及其中的ida曲线数据处理为本领域公知技术，不再详述。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的具体实施方式进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。