基于结构一体化的抗震设计系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及抗震设计领域，特别是涉及基于结构一体化的抗震设计系统。
【背景技术】
[0002]发生于2008年的我国汶川地震给国家经济及人民生命财产造成巨大损失的同时，也凸显出我国在罕遇地震条件下土木建筑结构物抗震设计方面的诸多短板。其中最为突出的问题是目前的抗震抗震设计软件系统还是基于拟静力法(结构物地震反应分析的发展过程可以大致分为:静力法、反应谱法、动力时程分析法)，以弹性计算为主，按材料强度进行校验，并且将上部结构和基础分开来设计的。采用该方法设计出来的结构物存在诸多问题，无法抵御特大地震的袭击，主要源于以下原因。
[0003]I)拟静力法只能将地震动引起的惯性力的大小简单地用静荷载来代替，但不能考虑动荷载中频率成分产生的影响。特别是当遇到特大地震时，强烈的动荷载造成结构物刚度的大幅降低而引起固有周期的增长，从而极大地影响到结构物的动力响应，而这种复杂的特性是无法通过拟静力法加以考虑的。
[0004]2)结构物在强烈地震作用下，大部分将进入弹塑性变形阶段，与弹性变形相比，过大的塑性变形会使结构开裂，混凝土脱落，甚至破坏；但另一方面，由于塑性阶段的结构刚度降低，结构固有周期増大，改变了结构的地震反应特性，非弹性的不可恢复变形可以耗散输入的地震能量，从而減小地震对结构的破坏；在非线性状态下，结构是否破坏将取决于塑性变形能力或耗散能量的能力，而不取决于强度，强度条件并不能恰当地评价结构的抗震能力。
[0005]3)地震时上部结构和基础是作为一个整体产生响应的。地震波是通过表层地基土进入基础，从而上传至上部结构引起振动而产生惯性动荷载的。而拟静力设计法则将此过程颠倒过来，像降雨似地先假定上部结构的水平方向地震荷载的大小，地震力是自上而下传递，并将基础和上部结构拆分开来设计的。这样的设计处理，不能够客观地反映出地震时的共振效应，特别是切割了表层土场，基础以及上部结构之间的动态联系，极大地影响了设计的合理性，降低了设计精度。
[0006]近年来随着我国经济建设的快速发展，出现了各种形式的桥梁(如大跨度、超大跨度斜拉桥、悬索桥、拱桥及各种复杂的城市立交工程)。桥梁抗震设计中也涌现了众多问题。从往年来的多次重大地震中对桥梁震害的调查研究结果表明，现在桥梁的破坏大多沿顺桥向和横桥向发生，而且顺桥向震害尤其严重。通常可以观测到桥梁地震破坏的形式有以下几种典型:桥墩底部塑性铰破坏，支座大变形剪切破坏，落梁破坏，以及地基失效等。因此，桥梁的抗震设计越来越受到重视。但是，相比于日本等多地震国家，我国对桥梁的抗震设计的应用还不成熟。因此，深入研究抗震设计在桥梁当中的应用及其存在的问题，也是一个很有意义的研究方向。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于结构一体化的抗震设计系统，摒弃了目前的弹性设计法而采用非线性或弹塑性方法，通过量化设计指标直观地反映特大地震对结构物造成的损伤，并根据损伤程度采用不同的量化指标进行精确的自动校验。
[0008]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:基于结构一体化的抗震设计系统，它包括以下一种或多种单元模块。
[0009]①构件设定单元:包括表面土场地基设定模块、上部构件设定模块和下部构件设定模块，表面土场地基设定模块、上部构件设定模块和下部构件设定模块分别根据非线性特性或结构弹塑性设定表面土场地基条件、上部构件和下部构件参数。
[0010]②模型生成单元:基于构件数据库中存储的构件模型，根据构件设定单元所设定的条件和参数，将上部结构和下部结构作为整体进行数值模型化处理，生成结构一体化的工程结构模型。
[0011]所述模型生成单元采用等价能量法增加工程结构模型的安定性。
[0012]③地震动模拟单元:设定地震力强度，产生模拟地震波，将模拟地震波通过表层土场地基进入下部构件，再从下部构件上传至上部构件，使得上部结构引起震动产生惯性动荷载。
[0013]④抗推倒解析单元，所述抗推倒解析单元用于根据构件及地基的非线性特性，通过抗推倒解析计算出各个构件的断面力和变形，生成荷载-变位曲线，并确定各个构件的等价固有周期。
[0014]⑤损伤量化单元，所述损伤量化单元用于根据能量守恒原则换算出构件的最大设计位移，通过量化指标反映模拟地震对工程结构造成的损伤状态。
[0015]⑥抗震校核单元，所述抗震校核单元用于将构件的最大设计位移与其在模拟地震中相对应的变形状态进行校核；根据损伤状态采用不同的量化指标进行自动校验，定量评价上部构件损伤性能和下部构件的安定性能；
⑦位移控制单元，所述位移控制单元用于在模拟地震中，控制上部构件的位移，避免在地震力的作用下上部构件的实际位移较大而产生破坏。
[0016]⑧剪切破坏验算单元，通过混凝土构件剪切破坏算法，验算构件所需的剪切强度。
[0017]⑨人机交互界面，所述人机交互界面用于完成参数设置操作，展现模拟地震时，表层土场地基、下部结构和上部结构之间的动态联系，完成抗震预测评估操作。
[0018]⑩监控管理数据库，用于存储各单元模块产生的数据，以便后期管理分析以及外部接口的数据调用。
[0019]本发明的有益效果是:
本发明摒弃了目前的弹性设计法而采用非线性或弹塑性方法，通过量化设计指标直观地反映特大地震对结构物造成的损伤，并根据损伤程度采用不同的量化指标进行精确的自动校验，实现精准省力设计，最终达到科研成果转换为生产力的目的。本发明系统攻克了以下难题。
[0020]I)考虑结构非线性特性的结构一体化计算因受刚度变化大的影响，不易收敛容易发散。为避免出现这种现象，通过模型生成单元合理设定工程结构模型并提高计算精度，减少收敛误差。同时，针对刚度过于软化(斜率平坦化)引起的计算不稳定问题，采用等价能量法来增加工程结构模型计算的安定性。
[0021]2)在抗推倒解析中采用变位渐增加载方式，解析计算出各个构件的断面力和变形，生成荷载-变位曲线，并确定各个构件的等价固有周期。
[0022]3)通过位移控制单元用于在模拟地震中，控制上部构件的位移，避免在地震力的作用下上部构件的实际位移较大而产生破坏，如桥梁墩柱屈曲、落梁、构件相互碰撞等破坏。
[0023]4)为避免由于弯曲变形过大使混凝土严重开裂及剥落，造成混凝土的压坏，应综合考虑混凝土构件的强度试验结果，提高构件损伤性能的校核精度，以确保抗弯构件具有足够的延性性能。
[0024]5)根据以往地震灾害的教训，混凝土构件的剪切破坏是最致命性的，为预测墩柱所需的剪切强度，避免在轴力与弯矩作用下箍筋不足而引起的剪切破坏。通过剪切破坏验算单元，采用混凝土构件剪切破坏算法，验算构件所需的剪切强度。
【附图说明】
[0025]图1为本发明抗震设计系统的系统框图；
图2为本发明系统的工作流程示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
[0027]如图1所示，基于结构一体化的抗震设计系统，它包括以下一种或多种单元模块。
[0028]①构件设定单元:包括表面土场地基设定模块、上部构件设定模块和下部构件设定模块，表面土场地基设定模块、上部构件设定模块和下部构件设定模块分别根据非线性特性或结构弹塑性设定表面土场地基条件、上部构件和下部构件参数。
[0029]②模型生成单元:基于构件数据库中存储的构件模型，根据构件设定单元所设定的条件和参数，将上部结构和下部结构作为整体进行数值模型化处理，生成结构一体化的工程结构模型。