一种钢结构纤维模型损伤评价方法与流程

本发明涉及建筑结构安全设计
技术领域：
，具体地说是一种基于fema标准的钢结构纤维模型损伤评价方法。
背景技术：
：工程结构设计时，常需要通过动力弹塑性分析判断整体结构在地震、偶然荷载作用下的安全性，且往往要考虑构件的失效破坏。目前，弹塑性分析常用的有限元模型有塑性铰模型和纤维模型，其中塑性铰模型是一种相对宏观的模型，以力-变形的关系给出构件的性能状态，常用于sap2000、midas/gen等软件；纤维模型是一种相对微观的模型，它将截面划分成若干个纤维，并通过材料的单轴应力-应变关系描述构件的性能状态，常用于abaqus、ansys/ls-dyna、msc.marc、perform-3d等软件。随着计算机水平的不断提高和计算精度要求的不断提升，基于纤维模型的动力弹塑性分析在实际工程中的应用逐渐增多。就评价标准而言，目前我国规范对构件的失效破坏没有明确规定，而是根据构件的损伤情况定性划分为无损坏(完好)、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重破坏和严重破坏六档。为了更好地评价工程结构的性能水准，现阶段应用较广泛且认可度较高的是fema规范中的构件性能评价指标，见下表1：表1钢材塑性应变与各评价标准的对应关系表高规损坏程度无损坏轻微损坏轻度损坏中度损坏比较严重损坏fema规范<bb～ioio～lsls～cp>cp常用塑性应变指标1εp/εy00～11～33～6>6常用塑性应变指标2εp/εy00～22～44～6>6上述标准基于构件内力与宏观变形的关系，将构件的塑性阶段划分为应变强化区段(bc段)和强度丧失区段(cde段)，并在设计允许的塑性转动范围内(不超过c点)将构件性能指标相应的划分为可立即使用(io)、生命安全(ls)、接近倒塌(cp)三个阶段，且给出了不同构件对应各性能水准的塑性转角和变形极值。现有技术的评价指标均基于宏观构件，为将宏观的评价指标与微观的纤维梁单元模型分析结果相结合，大部分实际工程在基于abaqus、perform-3d、sausage进行动力弹塑性分析时，借鉴fema规范将钢材塑性应变εp与屈服应变εy的比值作为判别构件损伤程度的指标，并设定钢材的极限塑性应变为2.5％。目前，基于应变的构件损伤程度指标也并不统一，同时，通过材料变形极限控制不足以体现构件的破坏形式，通过钢材的塑性应变评价构件的损坏程度与fema规范中的评价标准仍存在较大差别。技术实现要素：本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种钢结构纤维模型损伤评价方法，采用微观的材料应变与fema宏观构件性能指标的对应关系，并通过有限元的弹塑性分析，直观反映整体结构动力响应过程中的构件损伤和破坏情况，实现构件变形极限和材料变形极限对构件失效破坏的控制，使数值模拟中构件在动力响应过程中的失效破坏既满足fema构件变形极限又满足材料应变极限，同时剩余结构构件的损坏程度既可依据fema标准的构件性能评价指标进行评价，又能与常规弹塑性分析的评价指标相对应。本发明的目的是这样实现的：一种钢结构纤维模型损伤评价方法，包括根据下述(i)和(ii)式计算的梁n和柱(斜撑)n：梁柱(斜撑)采用网格划分形成钢结构纤维模型，其特点是将钢结构纤维模型进行加载求解后对构件的损坏情况进行评判，并根据整体结构的动力响应情况判断结构的安全性，具体评判按下述步骤进行：步骤一：根据fema-356标准(表5-6)确定构件塑性转角达到io(可立即使用)、ls(生命安全)和cp(接近倒塌)三个阶段的数值。步骤二：根据下述(xii)和(xiii)式，分别计算对应上述三阶段水准时的延性系数μio、μls和μcp，以及塑性转角段边缘纤维塑性应变εio、εls和εcp：梁：柱、斜撑：步骤三：读取有限元分析后的结果信息，得到边缘纤维塑性应变云图，根据塑性转角段边缘纤维塑性应变εlp确定构件塑性转角达到哪一阶段：若εio≤εlp＜εls，则构件塑性转角达到io阶段；若εls≤εlp＜εcp，则构件塑性转角达到ls阶段；若εlp≥εcp，则构件塑性转角达到cp阶段；由此可判定构件的受弯损伤程度。根据构件除塑性转角段部分的塑性变形和判断构件的拉、压损伤情况，可对整体结构的安全进行评价。所述梁n和柱(斜撑)n的计算采用对钢结构中所有梁、柱和斜撑构件，设定其塑性转角变形集中在构件两端长度lp范围，即塑性转角段，并根据构件类型、截面参数、材料类型、材料极限塑性应变和fema构件极限强度变形计算构件长度l与塑性转角段lp之比n，按下述(i)和(ii)式分别计算梁n和柱(斜撑)n：梁柱(斜撑)式中：e为弹性模量；i为截面惯性矩；εu为钢材极限塑性应变(一般取2.5％；)；μa为构件在应变强化区段的塑性转角与屈服转角的比值，μa＝θc/θy-1；θc为构件达到fema构件性能指标极限强度c点时的转角，θy为构件的屈服转角，μa值可查阅fema-356(表5-6)中构件达到极限强度c时塑性转角a值；γ为截面的形状系数；γ＝wp/wn，wp为塑性截面模量，wn为弹性截面模量；fy为材料屈服强度；h1为截面边缘纤维到中性轴的距离，当截面相对于中性轴对称时，则有i＝wnh1＝wnh/2，即梁n和柱(斜撑)n可简化为下述(iii)和(iv)式计算，然后将形成的纤维模型进行加载求解；梁柱(斜撑)所述采用网格划分形成钢结构纤维模型为确定纤维截面上纤维的分布，采用有效的网格划分方法形成纤维模型，并确保所有构件的塑性转角段内只有一个纤维梁单元。所述钢结构纤维模型进行加载求解是使数值模拟中构件在动力响应过程中的失效破坏既满足fema构件变形极限又满足材料应变极限，同时剩余结构构件的损坏程度既可依据fema标准的构件性能评价指标进行评价。所述塑性转角与屈服转角的比值μa为fema-356标准(表5-6)中构件达到极限强度c时塑性转角a值，其μa＝θc/θy-1；θc为构件达到fema构件性能指标极限强度c点时的转角；θy为构件的屈服转角。所述梁n计算公式的推导过程如下：(1)对于通过有限元软件(abaqus、ansys/ls-dyna)中的纤维模型，当纤维梁单元上某一个纤维的塑性应变达到失效应变时，该纤维就会退出工作；当所有纤维都退出工作时，该纤维梁单元就会被“杀死”，由于纤维梁单元的最大塑性应变一般发生在边缘纤维，所以也会最先退出工作，随即其他纤维也会在内力重分布的过程中陆续失效，直至单元被杀死。根据这一失效特点，可认为边缘纤维退出工作时构件达到极限强度(对应fema构件性能指标中的c点)，由此推出构件宏观变形与纤维微观应变的对应关系。由于数值模拟满足平截面假定，因此构件截面上的应变与离中性轴的距离总成正比，根据构件曲率的数学意义可推出曲率φ与构件边缘纤维应变ε的关系为下述(v)式表示：φ≈tanφ＝ε/h1；(v)式中，φ为曲率；ε为截面边缘纤维的应变。(2)设定构件的塑性转角变形集中在构件两端lp长度范围内，即构件两端为塑性转角段，该长度范围内曲率φ保持不变，则根据(v)式有构件转角θ边缘纤维应变ε的关系为下述(vi)式表示：θ＝φlp≈εlp/h1。(vi)(3)根据fema-356标准中的公式(5-1)，受弯构件的屈服转角θy按下述(vii)式计算：则构件达到fema构件性能指标极限强度c点时的转角θc按下述(viii)式计算：(4)假定构件转角达到θc时，塑性转角段的边缘纤维的塑性应变达到失效应变εu，同时设定边缘纤维达到屈服时的应变为εe＝fy/e，根据(vi)和(viii)式，得到下述(ix)式表示的构件达到极限强度时的θc和塑性转角段边缘纤维塑性应变εu关系式：进而推出(i)式的梁n计算公式。所述柱(斜撑)n计算公式的推导过程如下：对于立柱、斜撑等压弯、拉弯构件，还需要考虑轴压比的影响，根据fema-356中的公式(5-2)，屈服转角θy按下述(x)式计算：式中，p为轴力；pye为截面屈服轴力，pye＝afy。fema-356标准中指出当轴压力p小于抗压强度pcl的50％时，钢构件失效由变形控制，表现为延性的受力性能；反之则由力控制，表现为脆性的受力性能，构件失效以失稳破坏为主。在变形控制范围内，由fema-356标准(表5-6)可知，当p/pcl<0.2时μa＝4，当0.2<p/pcl<0.5时μa＝1，构件变形指标随轴压力p的不同有较大差别。考虑到构件的稳定性因素有pcl<pye，同时考虑到轴压力p对构件变形极限的不利影响，以及动力响应过程中轴向力p的不确定性，统一取p＝0.2pye进行计算，则θy＝wpfyl/(7.5ei)；曲率与塑性转角段边缘纤维的应变关系为φ＝(ε-ε中)/h1，其中ε中为中心轴应变，ε中＝0.2pye/(ea)＝fy/5e。由此，得到下述(xi)式表示的构件转角θc的塑性转角段边缘纤维塑性应变εu的关系式：进而推出(ii)式的柱(斜撑)n计算公式。当构件受力在力控制范围内(p≥0.5pye)时，构件的失效破坏由材料的变形极限、构件的稳定性控制，设定材料失效应变为εu，采用大变形动力学基本方程进行求解就能满足，一般通过有限元软件均可实现。本发明与现有技术相比具有微观的材料应变与fema宏观构件性能通用有限元的弹塑性分析，直观反映整体结构动力响应过程中的构件损伤和破坏情况，实现构件变形极限和材料变形极限对构件失效破坏的控制，使构件在动力响应过程中的失效破坏既满足fema构件变形极限又满足材料应变极限，同时剩余结构构件的损坏程度既可依据fema标准的构件性能评价指标进行评价，分析过程简单，工作效率高，尤其对重要构件的损伤和破坏提供了有利的依据和参考。附图说明图1为本发明的操作流程图；图2为构件纤维模型示意图；图3为实施例1的整体结构模型示意图；图4为fema构件性能指标示意图；图5为实施例1的塑性应变云图。具体实施方式参阅附图1，本发明按下述步骤进行钢结构损伤评价的：第一步：首先对钢结构中所有梁、柱、斜撑构件的两端设定长度为lp的塑性转角段，并根据构件类型、截面参数、材料类型、材料极限塑性应变和fema构件极限强度变形，确定构件长度l与lp的比值n；第二步：统计所有构件的n值，确定n的取值范围，并通过有限元分析验证该取值范围内对构件受力、变形、失效影响较小的n值，若影响较大，则需对有限元模型的网格划分进行调整；第三步：采用有效的网格划分形成有限元模型定义纤维截面，确保所有构件的塑性转角段内只有一个纤维单元，随后进行加载求解。第四步：基于fema规范中构件性能指标对构件的损坏情况进行评判，并根据整体结构的动力响应情况判断结构的安全。实施例1本发明通过钢结构纤维模型得到的边缘纤维塑性应变云图，对整体结构进行安全评判，其具体步骤包括：a、计算构件长度与塑形转角段长度之比n参阅附图2，对钢结构中的所有梁、柱和斜撑的构件，设定其塑性转角变形集中在构件两端的长度lp范围，即塑性转角段2，并根据构件类型、截面参数、材料类型、材料极限塑性应变和fema构件极限强度变形，按下述(i)和(ii)式，确定构件长度l与lp之比的梁n、柱n和斜撑n值计算：梁柱(斜撑)式中，e为弹性模量；i为截面惯性矩；εu为钢材的材料极限塑性应变，目前工程常用数值为2.5％；μa为构件在应变强化区段的塑性转角2与屈服转角的比值，μa＝θc/θy-1；θc为构件达到fema构件性能指标极限强度c点时的转角，θy为构件的屈服转角，μa值可查阅fema-356标准(表5-6)中构件达到极限强度c时塑性转角a值；γ为截面的形状系数，γ＝wp/wn，wp为塑性截面模量，wn为弹性截面模量；fy为材料屈服强度；h1为截面边缘纤维8到中性轴的距离。当截面相对于中性轴对称时，则有i＝wnh1＝wnh/2，n值可简化为下述(iii)和(iv)式计算：梁柱(斜撑)参阅附图3，对高层钢结构1在进行拆除底层角柱3的抗连续倒塌能力分析，首先按(i)和(ii)式分别计算所有梁n、柱n和斜撑n值。以截面为h680×400×32×32，其材料强度为q345的主梁zl1为例，根据构件类型及截面对称情况，采用(iii)式进行计算。由截面参数计算得到γ＝1.16；根据材料类型查得e＝2.06×105n/mm2、fy＝345mpa；材料极限塑性应变εu＝2.5％。参阅附图4，查阅fema-356标准(表5-6)，确定构件达到极限强度c时的塑性转角a为4θy，即μa为4。将上述参数代入(iii)式，计算得主梁zl1的n＝16.5，即塑性转角段2的长度为构件长度的1/16.5。以截面为□800×500×28×28，其材料强度为q345的钢柱z1为例，根据构件类型及截面对称情况，采用(iv)式进行计算。由截面参数计算得到γ＝1.22；根据材料类型查得e＝2.06×105n/mm2、fy＝345mpa；材料极限塑性应变εu取2.5％。参阅附图4，查阅fema-356标准(表5-6)，确定构件达到极限强度c时的塑性转角a为4θy，即μa为4。将上述参数代入(iv)式，计算得钢柱z1的n＝19.3，即塑性转角段2的长度为构件长度的1/19.3。b、形成纤维模型进行加载求解参阅附图2，确定纤维截面10上纤维11的分布，并对高层钢结构1采用有效的网格12划分方法形成纤维模型13，并确保所有构件的塑性转角段2内只有一个纤维梁单元14，随后进行加载求解。c、评价构件的损坏情况及结构的安全性读取有限元分析后的结果信息，得到边缘纤维塑性应变云图，根据塑性转角段边缘纤维塑性应变εlp确定构件塑性转角达到哪一阶段：若εio≤εlp＜εls，则构件塑性转角达到io阶段；若εls≤εlp＜εcp，则构件塑性转角达到ls阶段；若εlp≥εcp，则构件塑性转角达到cp阶段；由此可判定构件的受弯损伤。根据构件除塑性转角段部分的塑性变形和判断构件的拉、压损伤情况，对整体结构作出评价，并根据整体结构的动力响应情况判断结构的安全性。各水准系数μio/ls/cp与塑性转角段边缘纤维塑性应变εio/ls/cp的关系如下述(xii)和(xiii)式表示：梁：柱(斜撑)：参阅附图2，在高层钢结构1中主梁zl1的μa为4，查阅fema-356标准(表5-6)得对应io、ls、cp水准的延性系数分别为0.25、2和3，根据(xii)式计算得到对应的塑性转角段2的截面边缘纤维8塑性应变分别为εio＝0.50％、εls＝1.43％和εcp＝1.97％；钢柱z1的μa为4，查阅fema-356标准(表5-6)得对应io、ls、cp水准的延性系数分别为0.25、2和3，根据(xiii)式计算得到对应的塑性转角段2的截面边缘纤维8塑性应变分别为εio＝0.52％、εls＝1.45％和εcp＝1.97％。参阅附图2和图5，根据整体结构及局部构件的塑性变形云图，由塑性转角段2的截面边缘纤维8应变情况可知，大部分构件的塑性转角未达到io水准，发生较大塑性变形的构件主要集中在替代路径上：梁最大塑性转角达到io水准，表现为受弯损伤；斜撑最大塑性应变为0.67％，发生在非塑性转角段，表现为受压损伤；柱未出现明显塑性变形，由此可知整体结构的构件受弯、受压损伤程度较轻。参阅附图3，高层钢结构1在底层角柱3拆除后的整体结构动力响应过程中，所有构件最大塑性应变为1.09％，未达到2.5％，即未有构件因塑性变形达到极限而失效；大部分构件未出现明显损伤，表明该拆除工况下整体结构具有一定的抗连续倒塌能力。以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。当前第1页12