基于子结构的钢框架结构抗连续倒塌性能快速判定方法
【专利摘要】本发明公开了基于子结构的钢框架结构抗连续倒塌性能快速判定方法,它包括以下步骤：(1)首先确定关键柱失效后整体结构的容许倒塌范围；(2)选取子结构边界范围；(3)求子结构与整体结构中的剩余结构连接的各个梁柱中点处沿各个方向的弹簧刚度及相应的荷载值；(4)对子结构是否倒塌进行判断。本发明的优点：传统的分析方法需要建立复杂的整体结构模型进行抗连续倒塌性能分析，而本发明所提方法只需要建立较小的子结构模型即可，子结构模型简单计算时间短，可以实现对建筑结构抗连续倒塌性能的快速准确评估,当建筑结构抗连续倒塌性能不足时，可提前采取适当防护措施，提高其抗连续倒塌性能。
【专利说明】基于子结构的钢框架结构抗连续倒塌性能快速判定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钢框架结构抗连续倒塌性能快速判定方法。
【背景技术】
[0002]结构的连续倒塌可能由许多原因造成，如错误的施工顺序、偶然的超载、地震或爆炸冲击荷载作用下结构关键构件破坏等。近年来国内外发生多次建筑结构连续倒塌破坏的惨剧，为了避免建筑结构的连续倒塌，降低人员伤亡与财产损失，很有必要在新建建筑结构设计中，以及现有建筑结构性能评估中，对建筑结构的抗连续倒塌性能进行评估，进而采取适当的防护措施，提高其抗连续倒塌性能。目前，结构抗连续倒塌性能评估常用的方法为替代传力路径法。该法的优点是分析过程与连续倒塌的触因无关，仅仅考察结构发生初始损伤后的结构特性，适用范围广，可用于不同原因造成的连续倒塌分析。然而，采用替代传力路径法对结构进行连续倒塌的线性静力、线性动力及非线性静力分析时，得出的结果与实际差别较大，并且可能得出不安全的结果；采用非线性动力方法进行连续倒塌分析时，得出的结果较为准确，但是当建筑结构体型较大、形式复杂时，计算效率低，无法快速对建筑结构抗连续倒塌性能进行评估。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可准确快速的对钢框架结构抗连续倒塌性能进行评估的方法，当建筑结构抗连续倒塌性能不足时，可提前采取适当防护措施，提高其抗连续倒塌性能。
[0004]本发明基于子结构的钢框架结构抗连续倒塌性能快速判定方法，它包括以下步骤:
[0005](I)首先确定关键柱失效后整体结构的容许倒塌范围，步骤为:当角柱失效时，倒塌总面积<楼层总面积的10%及与失效柱相邻的I个开间面积的较小值；当边柱失效时，倒塌总面积<楼层总面积的15%及与失效柱相邻的2个开间面积的较小值；当内部柱失效时，倒塌总面积<楼层总面积的30%及与失效柱相邻的4个开间面积的较小值；
[0006](2)选取子结构边界范围，步骤为:以失效柱为基准，包括容许倒塌范围规定的开间数及失效柱正上方相邻开间内的所有梁柱作为子结构，将子结构边界选取在子结构与整体结构中的剩余结构相连接的梁柱中点处；
[0007](3)求子结构与整体结构中的剩余结构连接的各个梁柱中点处沿各个方向的弹簧刚度及相应的荷载值，步骤为:(a)将子结构与整体结构中的剩余结构连接的梁柱中点处作为节点全部约束，约束全部节点的所有自由度；(b)将整体结构中某一柱子假定为失效柱并移除，对边界已经约束的子结构进行非线性静力分析，得出所有节点处沿各个方向的约束反力，所述的约束反力为所有节点处沿各个方向的荷载值并且所述的约束反力为整体结构中的剩余结构对子结构的作用力；(c)将子结构边界处所有节点的约束全部去掉，释放边界处全部节点的自由度，同时去掉整体结构上的所有荷载，在子结构各边界节点处反向施加求得的约束反力，并求得每一个边界节点沿各个方向的变形值；(d)根据每一个边界节点上的约束反力与节点沿各个方向的位移之间的关系，得到每一个边界节点上沿各个方向的弹簧刚度；
[0008](4)对子结构是否倒塌进行判断，判断方法为:(a)移除假定失效柱，并对子结构进行动力响应分析；(b)计算子结构中柱和梁的塑性铰转角，如果塑性铰转角超过0.21，则认为这些柱和梁发生失效；(c)根据失效的柱和梁确定倒塌的开间总数及面积；然后与步骤(I)中的确定的结构容许倒塌范围比较，当破坏范围超过容许倒塌范围认为整体结构发生连续倒塌破坏。
[0009]本发明的优点:
[0010]传统的分析方法需要建立复杂的整体结构模型进行抗连续倒塌性能分析，而本发明所提方法只需要建立较小的子结构模型即可，子结构模型简单计算时间短，可以实现对建筑结构抗连续倒塌性能的快速准确评估，当建筑结构抗连续倒塌性能不足时，可提前采取适当防护措施，提高其抗连续倒塌性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1 (a)是本发明的基于子结构的钢框架结构抗连续倒塌性能快速判定方法中角柱失效时容许倒塌范围俯视图；
[0012]图1 (b)是图1 (a)所示的结构的立面图；
[0013]图1 (c)是本发明的基于子结构的钢框架结构抗连续倒塌性能快速判定方法中边柱失效时容许倒塌范围俯视图；
[0014]图1 (d)是图1 (C)所示的结构的立面图；
[0015]图1(e)是本发明的基于子结构的钢框架结构抗连续倒塌性能快速判定方法中内部柱失效时容许倒塌范围俯视图；
[0016]图1 (f)是图1 (e)所示的结构的立面图；
[0017]图1 (g)是本发明的基于子结构的钢框架结构抗连续倒塌性能快速判定方法中角柱失效时采用的子结构选取示意图；
[0018]图1(h)是本发明的基于子结构的钢框架结构抗连续倒塌性能快速判定方法中内部柱失效时采用的子结构选取示意图；
[0019]图2为子结构边界条件示意图；
[0020]图3(a)为本发明方法实施例1整体结构中62号节点位置示意图；
[0021]图3(b)为本发明方法实施例1子结构中62号节点位置示意图；
[0022]图4为本发明方法实施例1中62号节点竖向位移动力响应结果；
[0023]图5(a)为本发明方法实施例1整体结构破坏形式图；
[0024]图5(b)为本发明方法实施例1子结构破坏形式图。
【具体实施方式】
[0025]本发明方法是将子结构法与替代传力路径法结合，建立了钢框架结构抗连续倒塌性能快速评估方法。
[0026]本发明方法基本思路如下:首先给出了钢框架结构容许倒塌范围，并据此建立了子结构的选取原则；然后基于固定界面模态综合法，提出了子结构边界条件的模拟方法； 最后给出了钢框架结构连续倒塌判定准则，在子结构抗连续倒塌性能分析的基础上，建立 了整体结构抗连续倒塌性能评估方法。
[0027]本发明的基于子结构的钢框架结构抗连续倒塌性能快速判定方法，它包括以下 步骤：（1)首先确定关键柱失效后整体结构的容许倒塌范围，步骤为：当角柱失效时，倒塌 总面积<楼层总面积的10%及与失效柱相邻的1个开间面积的较小值；当边柱失效时，倒塌 总面积<楼层总面积的15%及与失效柱相邻的2个开间面积的较小值；当内部柱失效时， 倒塌总面积≤楼层总面积的30%及与失效柱相邻的4个开间面积的较小值；如图1(a)至 如图1(f)所示，本方法中的允许倒塌范围参照多国结构抗连续倒塌规范及标准提出了结 构在同一楼层内的容许倒塌范围，结构不同楼层间的容许倒塌范围和GSA2003指南中的规 定一致(规定失效构件以下的楼板及与该失效构件无直接连接的结构不得出现坍塌）;(2) 如图1(g)至如图1(h)所示，选取子结构边界范围，步骤为：以失效柱为基准，包括容许倒 塌范围规定的开间数及失效柱正上方相邻开间内的所有梁柱作为子结构，将子结构边界选 取在子结构与整体结构中的剩余结构相连接的梁柱中点处；(3)如图2、图3(a)、图3(b)所 示，求子结构边界处沿各个方向的弹簧刚度及相应的荷载值，步骤为：(a)将子结构与整体 结构中的剩余结构连接的梁柱中点处作为节点全部约束，约束全部节点的所有自由度；(b) 将整体结构中某一柱子假定为失效柱并移除，对边界已经约束的子结构进行非线性静力分 析，得出所有节点处沿各个方向的约束反力，所述的约束反力为所有节点处沿各个方向的 荷载值并且所述的约束反力为整体结构中的剩余结构对子结构的作用力；(c)将子结构边 界处所有节点的约束全部去掉，释放边界处全部节点的自由度，同时去掉整体结构上的所 有荷载，在子结构各边界节点处反向施加求得的约束反力，并求得每一个边界节点沿各个 方向的变形值；(d)根据每一个边界节点上的约束反力与节点沿各个方向的位移之间的关 系，得到每一个边界节点上沿各个方向的弹簧刚度；
[0028](4)对子结构是否倒塌进行判断，判断方法为：(a)移除假定失效柱，并对子结构 进行动力响应分析；(b)计算子结构中柱和梁的塑性铰转角，如果塑性铰转角超过0.21，则 认为这些柱和梁发生失效；（c)根据失效的柱和梁确定倒塌的开间总数及面积；然后与步 骤（1)中的确定的结构容许倒塌范围比较，当破坏范围超过容许倒塌范围认为整体结构发 生连续倒塌破坏。
[0029]本发明中结构倒塌判定准则为：当失效构件范围超过本发明中规定的容许倒塌范 围时，认为结构发生连续倒塌。构件失效判定准则参考GSA20 03指南规定的塑性较转角限 值 0. 21。
[0030]本发明中结构抗连续倒塌性能评估方法为根据本文的结构倒塌判定准则，柱子移 除后，发生连续倒塌的结构抗连续倒塌性能弱于未发生连续倒塌的结构。对于未发生连续 倒塌的结构，柱子移除后，失效柱正上方节点竖向位移越小，说明该结构越不容易发生连续 倒塌破坏，即结构抗连续倒塌性能越强。
[0031]实施例1
[0032]下面通过一个实施例来说明本发明中基于子结构的钢框架结构抗连续倒塌性能 快速评估方法与已有方法相比的优越性。
[0033]分别采用本发明的方法及传统的替代传力路径法对2个钢框架架构进行抗连续倒塌性能分析。首先设计了 2个3X5跨、5层钢框架结构A和结构B，框架柱横向及纵向间距均为5m。首层层高为5.5m,第2层层高为4.0m，第3、4层层高为3.5m,第5层层高为5.0m。结构A、B梁柱尺寸列于表1。
[0034]表1结构A、B的梁柱截面尺寸
[0035]
【权利要求】
1.基于子结构的钢框架结构抗连续倒塌性能快速判定方法，其特征在于它包括以下步骤: (1)首先确定关键柱失效后整体结构的容许倒塌范围，步骤为:当角柱失效时，倒塌总面积 < 楼层总面积的10%及与失效柱相邻的I个开间面积的较小值；当边柱失效时，倒塌总面积<楼层总面积的15%及与失效柱相邻的2个开间面积的较小值；当内部柱失效时，倒塌总面积<楼层总面积的30%及与失效柱相邻的4个开间面积的较小值； (2)选取子结构边界范围，步骤为:以失效柱为基准，包括容许倒塌范围规定的开间数及失效柱正上方相邻开间内的所有梁柱作为子结构，将子结构边界选取在子结构与整体结构中的剩余结构相连接的梁柱中点处； (3)求子结构与整体结构中的剩余结构连接的各个梁柱中点处沿各个方向的弹簧刚度及相应的荷载值，步骤为:(a)将子结构与整体结构中的剩余结构连接的梁柱中点处作为节点全部约束，约束全部节点的所有自由度；(b)将整体结构中某一柱子假定为失效柱并移除，对边界已经约束的子结构进行非线性静力分析，得出所有节点处沿各个方向的约束反力，所述的约束反力为所有节点处沿各个方向的荷载值并且所述的约束反力为整体结构中的剩余结构对子结构的作用力；(c)将子结构边界处所有节点的约束全部去掉，释放边界处全部节点的自由度，同时去掉整体结构上的所有荷载，在子结构各边界节点处反向施加求得的约束反力，并求得每一个边界节点沿各个方向的变形值；(d)根据每一个边界节点上的约束反力与节点沿各个方向的位移之间的关系，得到每一个边界节点上沿各个方向的弹簧刚度； (4)对子结构是否倒塌进行判断，判断方法为:(a)移除假定失效柱，并对子结构进行动力响应分析；(b)计算子结构中柱和梁的塑性铰转角，如果塑性铰转角超过0.21，则认为这些柱和梁发生失效；(c)根据失效的柱和梁确定倒塌的开间总数及面积；然后与步骤(I)中的确定的结构容许倒塌范围比较，当破坏范围超过容许倒塌范围认为整体结构发生连续倒塌破坏。
【文档编号】G06F17/50GK103530443SQ201310438893
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】丁阳, 李 浩, 师燕超, 李忠献 申请人:天津大学