钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法，所述建筑物支撑构件由钢管混凝土形成，包括如下步骤：建立钢管混凝土建筑物的空间纤维梁有限元模型，开发适用于纤维梁分析方法，并考虑套箍作用和地震循环荷载下材料特性的弹塑性损伤本构模型及对应子程序，采用软件并结合材料子程序对所述有限元模型进行计算，抗震性能评估，设计建筑物的抗震措施。本发明专利技术提供一种钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法，通过建立钢管混凝土建筑物的空间纤维梁有限元模型，并开发适用于纤维梁分析方法，并考虑套箍作用地震循环荷载下材料特性的弹塑性损伤本构模型，然后采用软件对所述有限元模型进行计算，通过获取的建筑物最大层间位移角，对钢管混凝土结构要求的最大层间位移角限值要求评估建筑物的抗震性能，根据建筑物抗震性能的评估结果设计建筑物的抗震措施。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种建筑物抗震性能评估方法及应用，尤其涉及一种钢管混凝土建筑 物抗震性能评估方法及应用。
技术介绍
目前建筑抗震设计要求“小震不坏，中震可修，大震不倒”，针对具体的结构设计， 要求高层建筑物的抗震计算主要是在多遇地震作用下，按反应谱理论计算地震作用，用弹 性方法计算内力和位移，并用极限状态方法设计构件；对于重要建筑或有特殊要求时，要用 直接动力方法——时程分析方法补充计算，并进行大震作用下的变形验算。正对结构抗震计算可分为静力方法和动力方法。其中，静力方法主要是基于反应 谱理论而建立的等效分析方法，如针对多遇地震弹性分析的振型分解法、针对大震的静力 弹塑性分析方法等。动力方法则把地震作用直接施加于结构上，采用逐步积分的方法求解 结构在地震作用下的瞬态内力和变形情况，如弹性和弹塑性动力时程分析方法等。其中，弹 塑性动力时程分析方法能得到结构从弹性到弹塑性，逐渐开裂、损坏直至倒塌的全过程，从 而可以通过控制破坏程度的条件，进而寻找防止结构倒塌的措施，是目前较为常用的计算 方法。弹塑性动力时程分析方法是通过将地震波按时段进行数值化后，输入结构体系的 振动微分方程，采用逐步积分法进行结构弹塑性动力反应分析，计算出结构在整个地震时 域中的振动状态全过程，给出各个时刻各杆件的内力和变形，以及各杆件出现塑性铰的顺 序，反映地面运动的方向、特性及持续作用的影响。它从强度和变形两个方面来检验结构的 安全和抗震可靠度，并判明结构屈服机制和类型。目前，钢管混凝土建筑物越来越广泛应用，主要应用于输电，变电塔工程以及一些 高层和超高层的结构中。但对于钢管混凝土建筑物并没有应用到时程分析进行高层弹塑性 抗震性能评估，导致抗震性能分析不足。针对高层钢管混凝土弹塑性抗震计算，为了能真实的表现钢管和混凝土材料的不 同特性，以及它们的套箍作用，在建模分析时一般采用实体单元，由于整体分析时构件数很 多，材料模型复杂，同时荷载具有动力效应，造成计算时间很长，最终很难实现。如果采用梁 单元，在一般程序中只能针对单一材料可以使用梁单元，而钢管混凝土由两种材料组成，不 适用，而且很多软件中没有能适用于空间梁单元动力分析的混凝土纤维本构，最终也无法 有效的进行分析。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是克服现有技术中在钢管混凝土建筑物中未采用弹塑性 动力时程分析方法对钢管混凝土建筑物进行抗震性能分析，抗震性能分析效果差的技术问题。本专利技术的技术方案是提供一种钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法，所述建筑物支撑构件由钢管混凝土形成，包括如下步骤建立钢管混凝土建筑物的空间纤维梁有限元模型将建筑物中钢管混凝土部分的 钢管和混凝土都采用梁单元建模，根据钢管混凝土的几何尺寸设置钢管和混凝土的截面， 根据建筑物的空间位置将钢管和混凝土单元在有限元模型中进行组装，引入并赋予建筑物 模型中钢管的材构模型和混凝土的材构模型，所述本构模型采用考虑套箍作用和地震循环 荷载下材料特性的纤维弹塑性损伤模型，设置各个钢管混凝土构件中钢材和混凝土的藕合 条件，通过在有限元软件上进行开发引入。采用软件对所述有限元模型进行计算设定建筑物模型结构的边界条件并施加地 震作用进行动力弹性时程分析和弹塑性时程分析，从而获取建筑物在地震激励下的最大层 间位移角。抗震性能评估通过获取的建筑物最大层间位移角值，按照《建筑抗震设计规范》 中对钢管混凝土结构要求的最大层间位移角限值要求评估建筑物的抗震性能。设计建筑物的抗震措施根据建筑物抗震性能的评估结果设计建筑物的抗震措 施。本专利技术的进一步技术方案是在建立钢管混凝土建筑物的有限元模型步骤中，在 采用梁单元建模时，将梁柱简化为梁单元，将楼板等简化为壳单元，采用纤维梁的方法将实 体材料简化为一维的纤维材料，并考虑套箍作用的影响，同时考虑材料在往复作用下的损 伤和断裂行为，通过软件进行开发引入。本专利技术的进一步技术方案是在建立钢管混凝土建筑物的有限元模型步骤中，定 义建筑物模型中钢管和混凝土单元直接的约束条件为完全耦合。本专利技术的进一步技术方案是在采用软件对所述有限元模型进行计算步骤中，还 包括对建筑物模型划分网格，设定阻力系数及计算时间。本专利技术的进一步技术方案是在采用软件对所述有限元模型进行计算步骤中，所 述施加地震作用的方法包括施加荷载及地震波。本专利技术的进一步技术方案是在采用软件对所述有限元模型进行计算步骤中，所 述施加荷载包括压力荷载及重力荷载。本专利技术的进一步技术方案是在建立钢管混凝土建筑物的有限元模型步骤中，还 包括在建筑物钢管混凝土柱与梁连接节点处建立连接器单元，在节点处设置局部坐标使连 接器单元符合钢管混凝土建筑物的实际工作情况。本专利技术的进一步技术方案是在建立钢管混凝土建筑物的有限元模型步骤中，节 点刚度的取值小于25倍的梁线刚度。本专利技术的技术方案是将钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法应用在采用钢管混 凝土建筑物的民用建筑或工业建筑上。本专利技术的技术效果是本专利技术提供一种钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法，通 过建立钢管混凝土建筑物的空间纤维梁弹塑性有限元模型，然后采用软件对所述有限元模 型进行计算，通过获取的建筑物最大层间位移角，对钢管混凝土结构要求的最大层间位移 角限值要求评估建筑物的抗震性能，根据建筑物抗震性能的评估结果设计建筑物的抗震措 施。附图说明图1为本专利技术流程图。图2为本专利技术的钢材单轴滞回本构模型。图3为本专利技术的考虑紧箍作用的约束混凝土本构模型。具体实施例方式下面结合具体实施例，对本专利技术技术方案进一步说明。如图1所示，本专利技术的具体实施例方式提供一种钢管混凝土建筑物抗震性能评估 方法，所述建筑物支撑构件由钢管混凝土形成，包括如下步骤步骤100 建立钢管混凝土建筑物的空间纤维梁有限元模型首先，将建筑物中钢 管混凝土部分的钢管和混凝土都采用梁单元建模，即建立杆系和壳模型，而杆系和壳模型 是将梁柱简化为梁单元，将楼板等简化为壳单元。然后，根据钢管混凝土的几何尺寸设置 钢管和混凝土的截面，根据建筑物的空间位置将钢管和混凝土单元在有限元模型中进行组 装，引入并赋予建筑物模型中钢管的本构模型和混凝土的本构模型，所述本构模型采用考 虑套箍作用和地震循环荷载下材料特性的纤维弹塑性损伤模型，设置各个钢管混凝土构件 中钢材和混凝土的藕合条件，通过在有限元软件上进行开发引入。具体而言，如图2所示，本专利技术钢材的本构模型中，取钢材单轴滞回本构模型来建 立钢管混凝土中的钢材本构关系。开发的钢材模型为Menegotto-Pinto边界面模型，可以 考虑钢材等向强化，同时可以考虑滞回加载过程中的包辛格效应。图2中，在本模型中，受拉为正，受压为负，需要定义的参数有10个屈服强度fy ； 初始弹性模型Etl ；强化比例系数b = Et/E0 ；初始弹塑性转化控制参数Rtl，取值一般大于15， 没有特别需求通常取20 ；弹塑性转化控制参数计算公式中的系数ai和a2，没有特别需求通 tMa1 = O. 925, a2 = 0. 15 ；受压强化计算系数A1, A2，如果不考虑强化，通常A1 = OjA2 = 1 ； 受拉强化计算系数A3, A4，如果不考虑强化，通常A3 = 0，A3= L·由图2的滞回过程中的应力-应变关系可知，在正反加载的过程中，应力-应变 的关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法，其特征在于，所述建筑物支撑构件由钢管混凝土形成，包括如下步骤：　　建立钢管混凝土建筑物的空间纤维梁有限元模型：将建筑物中钢管混凝土部分的钢管和混凝土都采用梁单元建模，根据钢管混凝土的几何尺寸设置钢管和混凝土的截面，根据建筑物的空间位置将钢管和混凝土单元在有限元模型中进行组装，引入并赋予建筑物模型中钢管的材构模型和混凝土的材构模型，所述本构模型采用考虑套箍作用和地震循环荷载下材料特性的纤维弹塑性损伤模型，设置各个钢管混凝土构件中钢材和混凝土的藕合条件，通过在有限元软件上进行开发引入。　　采用软件对所述有限元模型进行计算：设定建筑物模型结构的边界条件并施加地震作用进行动力弹性时程分析和弹塑性时程分析，从而获取建筑物在地震激励下的最大层间位移角。　　抗震性能评估：通过获取的建筑物最大层间位移角值，按照《建筑抗震设计规范》中对钢管混凝土结构要求的最大层间位移角限值要求评估建筑物的抗震性能。　　设计建筑物的抗震措施：根据建筑物抗震性能的评估结果设计建筑物的抗震措施。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：查晓雄，余敏，于磊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]