一种基于有限元的RC框架数值建模方法及系统与流程

一种基于有限元的rc框架数值建模方法及系统
技术领域
1.本发明涉及铁路站房结构损伤技术领域，更具体地，涉及一种基于有限元的rc框架数值建模方法及系统。


背景技术：

2.铁路站房作为整个铁路交通网的关键节点，承担大量客流的中转、换乘和集散。由于铁路站房功能的需求，需要综合考虑人流通畅、列车行驶等问题，而剪力墙结构、框架-剪力墙结构等结构形式均不利于站房的交通通畅。框架结构的空间较大，布置灵活，满足铁路站房的结构布置和交通功能。因此，铁路站房结构大多数采用rc框架结构，与常规rc框架结构相比，虽然铁路站房结构的夹层和错层较多，柱网尺寸大，竖向刚度分布不均匀，还容易出现楼板局部不连续与单榀框架的情况，但是其结构的受力机理仍与常规rc框架结构基本一致。
3.因此，在实用rc框架结构对铁路站房进行设计时，需要预先建模对铁路站房rc框架结构进行分析，如何建立精确的数值分析模型是亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的目前铁路站房rc框架结构建模分析空缺的技术问题。
5.本发明提供了一种基于有限元的rc框架数值建模方法，包括以下步骤：
6.s1，获取铁路站房结构的原型结构；
7.s2，采用量纲分析法，从构件层面上保证原型结构与模型结构的相似，确定原型结构与模型结构之间各物理量对应的相似关系；
8.s3，根据相似关系的计算得到模型结构的各构件的配筋尺寸，建立rc框架结构有限元分析模型。
9.优选地，所述s1中的原型结构具体包括：
10.三层两跨的“田”字形结构，建筑总高度为9.75m，其中首层高度为3.75m，二、三层层高均为3m，模型x向与y向的柱距均为4m，柱截面尺寸为400mm
×
400mm；
11.梁截面尺寸为300mm
×
400mm；
12.楼板厚度为120mm。
13.优选地，所述s1中的原型结构的材料分别为：梁柱的受力筋均为gfrp筋，箍筋采用hrb335级钢筋，楼板的受力筋与分布筋均采用hrb335级钢筋，且混凝土强度等级为c35。
14.优选地，所述s1具体包括：根据原型结构的尺寸、重量确定几何相似比为1/15，且平均密度相似比取1。
15.优选地，所述s2中的物理量具体包括：
16.结构尺寸l、结构的水平位移x、应力σ、应变ε、结构材料的弹性模量e、结构材料的平均密度ρ、结构的自重q、结构的振动频率ω。
17.优选地，所述s2中的量纲分析法具体包括：依据抗拉能力等效的原则对于正截面承载能力的控制，依据抗弯能力等效的原则对于斜截面承载能力的控制，依据抗剪能力等效的原则。
18.优选地，所述s3之后还包括：对框架结构模型进行有限元动力特性分析，得到的有限元框架模型前3阶振型结果，将有限元分析结果与振动台测试析结果进行对比，当模型结构的仿真分析结果结果与原型结构的试验误差在10％以内时，则说明模型结构可靠。
19.本发明还提供了一种基于有限元的rc框架数值建模系统，所述系统用于实现基于有限元的rc框架数值建模方法，具体包括：
20.原型结构获取模块，用于获取铁路站房结构的原型结构；
21.相似计算模块，用于采用量纲分析法，从构件层面上保证原型结构与模型结构的相似，确定原型结构与模型结构之间各物理量对应的相似关系；
22.建模模块，用于根据相似关系的计算得到模型结构的各构件的配筋尺寸，建立rc框架结构有限元分析模型。
23.本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机管理类程序时实现基于有限元的rc框架数值建模方法的步骤。
24.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机管理类程序，所述计算机管理类程序被处理器执行时实现基于有限元的rc框架数值建模方法的步骤。
25.有益效果：本发明提供的一种基于有限元的rc框架数值建模方法及系统，其中方法包括：获取铁路站房结构的原型结构；采用量纲分析法，从构件层面上保证原型结构与模型结构的相似，确定原型结构与模型结构之间各物理量对应的相似关系；根据相似关系的计算得到模型结构的各构件的配筋尺寸，建立rc框架结构有限元分析模型。该方案基于静动力的损伤识别方法在rc框架结构中的应用，利用abaqus软件建立了三层两跨rc框架结构有限元分析模型。并经过试验验证后可靠可行，为后续的工程实际施工提供了强有力的保证。具有非常重大的工程实际意义。
附图说明
26.图1为本发明提供的一种基于有限元的rc框架数值建模方法流程图；
27.图2为本发明提供的一种可能的电子设备的硬件结构示意图；
28.图3为本发明提供的一种可能的计算机可读存储介质的硬件结构示意图；
29.图4为本发明提供的柱截面配筋图；
30.图5为本发明提供的梁截面配筋图；
31.图6为本发明提供的底板配筋图；
32.图7为本发明提供的框架结构有限元模型图；
33.图8为本发明提供的各层梁柱编号图。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
35.图1为本发明提供的一种基于有限元的rc框架数值建模方法，包括以下步骤：
36.s1，获取铁路站房结构的原型结构；
37.s2，采用量纲分析法，从构件层面上保证原型结构与模型结构的相似，确定原型结构与模型结构之间各物理量对应的相似关系；
38.s3，根据相似关系的计算得到模型结构的各构件的配筋尺寸，建立rc框架结构有限元分析模型。
39.具体地，原型结构为三层两跨的“田”字形结构，建筑总高度为9.75m，其中首层高度为3.75m，二、三层层高均为3m，模型x向与y向的柱距均为4m，柱截面尺寸为400mm
×
400mm；梁截面尺寸为300mm
×
400mm；楼板厚度为120mm。梁柱的受力筋均为gfrp筋，箍筋采用hrb335级钢筋，楼板的受力筋与分布筋均采用hrb335级钢筋，混凝土强度等级为c35。
40.采用量纲分析法：量纲分析法的基本原理是相似定理，两个相似的物理量的π数相等，由相似现象的n个物理参数，k个基本量纲可确定(n-k)个π数。
41.影响框架结构性能的物理量有结构尺寸l、结构的水平位移x、应力σ、应变ε、结构材料的弹性模量e、结构材料的平均密度ρ、结构的自重q、结构的振动频率ω等。表1为量纲矩阵。
42.表1量纲矩阵
[0043][0044]
选取l、ω、ρ为基础物理量，则其余物理量均可由l、ω、ρ表示为：l
x1
ω
x2
ρ
x3
。根据上面的量纲列表可以得到6个无量纲π数：
[0045][0046]
由于模型与原型要保持相似，则对应的物理量成比例：
[0047]
xm＝s
x
x
p
，lm＝s
l
l
p
，σm＝s
σ
σ
p
，εm＝s
ε
ε
p
[0048]em
＝see
p
，ρm＝s
ρ
ρ
p
，qm＝sqq
p
,ωm＝s
ω
ω
p
ꢀꢀꢀ
(2)
[0049]
由式(1)、式(2)得模型设计应满足的相似条件：
[0050][0051]
由式(3)依次得出各相似常数的计算式为：
[0052][0053]
模型结构设计具体步骤如下：
[0054]
首先根据原型结构的尺寸、重量确定其几何相似比为1/15；平均密度相似比取1。最终框架的尺寸为：长
×
宽
×
高＝0.8m
×
0.8m
×
0.65m。
[0055]
这时的相似原则主要从构件层面上保证原型结构与模型结构的相似。即依据抗拉能力等效的原则对于正截面承载能力的控制，依据抗弯能力等效的原则对于斜截面承载能力的控制，依据抗剪能力等效的原则。因此有以下相似关系：
[0056]
原型的弯矩和剪力：
[0057][0058]
弯矩相似常数：
[0059][0060][0061]
根据己经计算出的模型结构计算各构件的配筋，柱：as＝0.921mm，asv＝0.031mm；梁：as＝0.462mm，asv＝0.0158mm。
[0062]
利用有限元软件abaqus建立该3层2
×
2的空间混凝土框架缩尺模型，结构模型的纵、横向跨度同为800mm，结构总高度为650mm，首层层高250mm，其余各层层高200mm；柱子截面尺寸为30mm
×
30mm；梁尺寸为20mm
×
40mm；柱距400mm，底座板厚度30mm，结构梁柱板的配筋见图4至图6所示。
[0063]
最后得到框架结构的abaqus模型见图7。为整分梁柱构件尺寸，控制节点数量，方便设置局部损伤，以50mm的大小对结构进行划分，其中每个柱分14个单元，共126个柱单元；每根梁分8个单元，共288个单元。
[0064]
s3之后还包括：对框架结构模型进行有限元动力特性分析，得到的有限元框架模型前3阶振型结果，将有限元分析结果与振动台测试析结果进行对比，当模型结构的仿真分析结果结果与原型结构的试验误差在10％以内时，则说明模型结构可靠。
[0065]
在数值模拟中，假定结构单元损伤只引起单元刚度的下降，而不引起单元质量的改变，单元的损伤通过弹性模量的降低来模拟。考虑应用本课题所提损伤识别方法对框架结构同一位置不同程度以及不同位置的损伤进行定位定量识别，确定如下损伤工况，如表2、表3所示，i-1-4表示第一层1号梁上的第4个单元；ii-4-4表示第二层4号梁上的第4个单元；iii-7-3表示第三层7号梁上的第3个单元；zj-7表示角柱上第7单元；zb-5表示边柱上第5单元；zz-10表示中柱上第10单元。各层梁柱编号如图8所示。
[0066]
表4-2梁的损伤工况
[0067][0068]
表4-3柱的损伤工况
[0069][0070]
有限元分析结果与振动台测试析结果进行对比，对比情况如表4所示，从表中可知本模型结构的仿真分析结果结果与原型结构的试验误差在10％以内，证明本课题建立的有限元可靠，可展开后续rc框架损伤识别数值模拟研究。
[0071]
表4模型结构自振频率比较
[0072][0073]
综上所述，基于静动力的损伤识别方法在rc框架结构中的应用，利用abaqus软件建立了三层两跨rc框架结构有限元分析模型，分别向结构施加静力荷载与动力激励，改变损伤部位的弹性模量来模拟损伤，通过位移计和加速度传感器提取结构静动力参数的变化，从而判断结构损伤发生位置以及程度，比较上述方法的有效性。为了达到以最少的传感器获得最大的损伤信息，本方法应用动力和静力的综合方法对框架结构进行损伤识别分析。通过rc框架缩尺试验，对损伤识别方法进行了验证。
[0074]
本发明实施例还提供了一种基于有限元的rc框架数值建模系统，所述系统用于实现基于有限元的rc框架数值建模方法，具体包括：
[0075]
原型结构获取模块，用于获取铁路站房结构的原型结构；
[0076]
相似计算模块，用于采用量纲分析法，从构件层面上保证原型结构与模型结构的相似，确定原型结构与模型结构之间各物理量对应的相似关系；
[0077]
建模模块，用于根据相似关系的计算得到模型结构的各构件的配筋尺寸，建立rc框架结构有限元分析模型。
[0078]
请参阅图2为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图。如图2所示，本发明实施例提了一种电子设备，包括存储器1310、处理器1320及存储在存储器1310上并可在处理器1320上运行的计算机程序1311，处理器1320执行计算机程序1311时实现以下步骤：s1，获取铁路站房结构的原型结构；
[0079]
s2，采用量纲分析法，从构件层面上保证原型结构与模型结构的相似，确定原型结构与模型结构之间各物理量对应的相似关系；
[0080]
s3，根据相似关系的计算得到模型结构的各构件的配筋尺寸，建立rc框架结构有限元分析模型。
[0081]
请参阅图3为本发明提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。如图3所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质1400，其上存储有计算机程序1411，该计算机
程序1411被处理器执行时实现如下步骤：s1，获取铁路站房结构的原型结构；
[0082]
s2，采用量纲分析法，从构件层面上保证原型结构与模型结构的相似，确定原型结构与模型结构之间各物理量对应的相似关系；
[0083]
s3，根据相似关系的计算得到模型结构的各构件的配筋尺寸，建立rc框架结构有限元分析模型。
[0084]
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0085]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0086]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0087]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0088]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0089]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0090]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。