一种高层钢框架结构的地震倒塌分析方法技术

本发明专利技术公开了一种高层钢框架结构的地震倒塌分析方法，获取地震作用下高层钢框架结构的动力方程；根据中心差分法和所述动力方程在时间间隔Δt内对高层钢框架结构的位移微分求速度和加速度；根据Von?Mises屈服条件和修正的K&K模型获取t时刻单元的应力σt；定义与K&K模型相应的失效准则，根据失效准则判断单元是否发生失效，如果是，删除该失效单元；如果否，根据几何方程和所述高层钢框架结构的位移u(t+Δt)获取单元的应变增量dε；根据损伤演化方程，获取单元的累积损伤值D；根据所述单元的累积损伤值D计算高层钢框架结构的层损伤值；获取t+Δt时刻单元的应力σt+Δt；更新时间t为t+Δt。本发明专利技术精确模拟高层框架结构考虑损伤累积效应在地震作用下的倒塌破坏全过程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及结构工程
，特别涉及。
技术介绍
我国几乎所有的高层建筑结构都建设在地震区，面临严重的地震灾害威胁。而钢结构在工业及民用建筑中尤其在高层建筑结构中的应用日益广泛，因此研究其在地震作用下的动力响应和倒塌机制具有重要意义。国内外学者对框架结构的倒塌进行了一些石幵究° 文献 1 (Hakuno M, Meguro K. Simulation of concrete frame collapse due to dynamic loading . Engineering mechanic, 1993,119(9) : 1709-1723.)用离散元法对框架结构实现了动力荷载作用下的倒塌模拟，文献2(张雷明.灾害荷载下结构倒塌机制研究.北京清华大学，2000.)利用奇异函数建立不连续位移的构件单元模型对框架结构进行倒塌破坏全过程分析，文献 3Gbarra L F. Krawinkler H. Global Collapse of Frame Structures under Seismic Excitations. Final report on PEER Project 3192002, 2005.)采用考虑刚度退化的有限元方法对框架结构进行倒塌模拟，文献4 (宣纲，顾祥林， 吕西林.强震作用下混凝土框架结构倒塌过程的数值分析.地震工程与工程振动， 2003,23(6) :24-30)采用简化的剪切弹簧模型模拟了钢筋混凝土框架地震倒塌过程，文献 5 (KurobaneY,Wang BiAzuma K，et al. Brittle fracture in steel frame seismic damage of beam-to-column rigid connection in the 1995 Hyogoken-Nanbu earthquake. Behavior of steel structures in seismic areas. Luglio :Firuito Di Stampare Nel, 1997,833-844)分析钢框架结构在地震中钢柱的横向断裂破坏，但断裂并未导致结构倒塌。框架结构在强震作用下的动力响应常常处于非线性塑性阶段，传统的有限元方法所采用的隐式积分难以满足其收敛条件，无法分析结构的倒塌过程；离散元法虽然能满足结构倒塌破坏时的位移不连续性，但是其分析精度过低耗时过长，倒塌破坏模式需事先给定， 而实际结构的倒塌破坏模式往往事先并未得知，这不适于分析复杂高层结构的倒塌破坏。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于提供，该方法可以精确确定高层钢框架结构的失效极限荷载，在未知失效破坏模式前提下，追踪结构的失效路径，可精确模拟高层框架结构考虑损伤累积效应在地震作用下的倒塌破坏全过程，详见下文描述，所述方法包括以下步骤(1)获取地震作用下高层钢框架结构的动力方程；(2)根据中心差分法和所述动力方程在时间间隔At内对高层钢框架结构的位移微分求速度和加速度；(3)根据Von Mises屈服条件和修正的K&K模型获取t时刻单元的应力σ t ；(4)定义与K&K模型相应的失效准则，根据所述失效准则判断单元是否发生失效， 如果是，执行步骤(5)；如果否，执行步骤(6)；(5)删除该失效单元；(6)根据几何方程和所述高层钢框架结构的位移u(t+At)获取单元的应变增量 cU ；(7)根据损伤演化方程，获取单元的累积损伤值D ；(8)根据所述单元的累积损伤值D计算高层钢框架结构的层损伤值；(9)获取t+At时刻单元的应力σ ；(10)更新时间t为t+At，重新执行步骤(1)。所述动力方程为M_ + + Ku(t) = pit)式中，Μ、C和K分别为质量、阻尼和刚度矩阵；u⑴、减0和雄)分别为结构位移、速度和加速度反应向量，P (t)为等效地震力向量。所述Von Mises屈服条件为φ = ^ -Gt11 )-σγ2=0所述修正的K&K模型为σγ =σ0 +βΕ^ ^ EEtEv=JZYttf 、1/2dtSlj=Olj-^akk式中，0y、％分别为钢材的屈服应力和初始屈服应力；<ff、辟分别为钢材的等效塑性应变和塑性应变率；Ejp和民分别为钢材的弹性模量、塑性模量和切线模量；ο u为应力张量；Sij为应力偏张量；1/3 σ kk为静水压力；α u为移动张量。所述失效准则为单元的破坏参数fail大于等于1，其中，Y Aepfffail = ^~—A^r*等效塑性应变增量，ε 单元失效时的应变。所述根据损伤演化方程，获取单元的累积损伤值D具体为AD = a{^ -Do)Va f(^)(DCI式中，Δ為、0 和D分别为损伤增量、初始损伤值、临界损伤值和累积损伤值； 为临界损伤值相对应的临界应变；ε tb为开始发生损伤的阈值应变；A^r、分别为等效塑性应变增量和等效塑性应变，α为损伤参数，f( om/oj为考虑三轴应力状态影响因子， 其表达式如下权利要求1.，其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)获取地震作用下高层钢框架结构的动力方程；(2)根据中心差分法和所述动力方程在时间间隔At内对高层钢框架结构的位移微分求速度和加速度；(3)根据VonMises屈服条件和修正的K&K模型获取t时刻单元的应力σ t ；(4)定义与K&K模型相应的失效准则，根据所述失效准则判断单元是否发生失效，如果是，执行步骤(5)；如果否，执行步骤(6)；(5)删除该失效单元；(6)根据几何方程和所述高层钢框架结构的位移u(t+At)获取单元的应变增量d ε ；(7)根据损伤演化方程，获取单元的累积损伤值D；(8)根据所述单元的累积损伤值D计算高层钢框架结构的层损伤值；(9)获取t+Δ t时刻单元的应力σ t+ Δ t ；(10)更新时间t为t+At，重新执行步骤(1)。2.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述动力方程为M_ + + Ku(t) = pit)式中，Μ、C和K分别为质量、阻尼和刚度矩阵；u(t)、减0和雄)分别为结构位移、速度和加速度反应向量，P (t)为等效地震力向量。3.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述Von Mises屈服条件为^ = ^fey-av)-ay=°所述修正的K&K模型为^y =σ0 +PEpSliiSv = σν -式中，oy、C^分别为钢材的屈服应力和初始屈服应力；<ff、辟分别为钢材的等效塑性应变和塑性应变率；Ejp和Et分别为钢材的弹性模量、塑性模量和切线模量；σ u为应力张量；Sij为应力偏张量；1/3 σ kk为静水压力；α u为移动张量。4.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述失效准则为单元的破坏参数fail大于等于1，其中，faU-Σ^ ε 为等效塑性应变增量，ε 单元失效时的应变。5.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述根据损伤演化方程，获取单元的累积损伤值D具体为6.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述根据所述单元的累积损伤值D计算高层钢框架结构的层损伤值具体为定义第h层第g个构件的损伤值为Dgh =max(degh)式中，为第h层第g个构件各单元的损伤指数，运用加权平均值法从构件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁阳，伍敏，徐龙河，李忠献，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：