[发明专利]基于抽柱法的带断裂钢框架连续倒塌分析方法

说明书

技术领域

本发明属于钢框架的连续倒塌分析领域，涉及一种土木工程专业中的带断裂钢框架连续倒塌分析方法。

背景技术

结构的连续倒塌，是指结构在非常规荷载作用下（主要为爆炸、车辆撞击和重物冲击等），由于部分构件破坏引起在水平和竖直方向的连锁破坏而造成整个结构倒塌或者造成与初始破坏不成比例的大范围倒塌。

以图1a中的单层平面框架为例，对抽柱法的实现作简要说明，可分为如下三个步骤：

1）对柱失效前的原完整模型（图1a）进行静力分析，得到柱失效前的静内力。

2）抽去失效柱，并将上一步得到的静内力反向作用于失效点，使剩余结构与原结构静力等效（图1b），并持续t₀的时间，对应图1c“荷载—时间变化曲线”中x轴向的“0~t₀”段。

3）将反向作用的静内力值在较短的时间内（称为失效时间）减小到0（对应图1c中x轴向的“t₀~t_f”时间段），计算得到柱失效后剩余结构的效应。

由此可见，抽柱法的计算流程是基于初始的静力分析的，但其抽柱过程又是动力相关的。根据是否考虑非线性与动力效应，抽柱法又可分为线弹性静力分析、非线性静力分析、线弹性动力分析、非线性动力分析四种。非线性动力分析方法，考虑了结构的非线性，引入了荷载时程，且对初始静力和抽柱后动力效应的处理均较符合现实状况，因此其分析结果在四种方法中最为准确，但计算过程复杂且耗时最多。

常用有限元软件采用刚度法单元，基于位移的插值函数。OpenSees计算平台中的nonlinearBeamColumn梁单元基于柔度法，以单元截面力的插值函数作为出发点，对于假定的内力分布，在不考虑单元分布荷载任意变化的前提下，无论杆件处于何种状态，即使是进入软化阶段，作为单元控制方程之一的平衡条件都是能严格满足的。柔度法需在单元内设置5个左右的高斯积分点，并在单元内部层次的反复迭代计算，集成单元总刚度矩阵以及确定单元状态（确定在给定结点位移条件下的单元抗力和单元刚度矩阵），具有计算迅速且准确、不需要细分单元的优点。

使用常规土木专业有限元软件计算该类问题的方法，具有以下缺点：

1、较少地引入杆件的断裂，功能不足且效果不理想；

2、可自定义的参数有限，且参数（如刚度矩阵集成方法、时间步长）多采用默认设定，过程模糊容易出错（如显式积分的稳定问题）；

3、因采用刚度法单元，需要进行数百段的单元划分使得结果精确，计算耗时长且难以得到正确解；

4、材料采用单轴线的本构难以描述单元的应力应变关系；

5、无法方便地进行抽柱等相关操作应对结构连续倒塌这种特定问题。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种简单便捷、杆件划分段数少、计算时间短、可进行双失效判定、结果更准确的基于抽柱法的带断裂钢框架连续倒塌分析方法。

技术方案：本发明提出的基于抽柱法的带断裂钢框架连续倒塌分析方法，包括以下步骤：

1）建立初始完整的钢框架有限元模型并验算，具体步骤为：

11）在Etabs设计软件中建立待分析的初始完整的钢框架有限元几何模型，如果钢框架为平面框架，则按“四分段法”划分杆件，即将杆件划分为0.1倍长度、0.4倍长度、0.4倍长度和0.1倍长度四段，如果钢框架为空间框架，则将杆件等分为6~10段；

12）在Etabs设计软件中输入钢框架的梁柱截面布置，形成有限元模型，生成s2k格式文件并存储；

13）在OpenSees软件中导入步骤12）中s2k文件的信息，选用钢框架的本构材料、质量源、荷载组合，使用nonlinearBeamColumn柔度法梁单元生成初始完整钢框架的OpenSees有限元模型；

14）对步骤12）中得到的有限元模型使用Etabs设计软件进行设计计算，如符合设计规范则进入步骤2），否则在Etabs设计软件中修改钢框架的梁柱几何布置和截面布置，使截面满足规范要求后回到步骤12）；

2）在OpenSees软件中计算得到OpenSees有限元模型的结构周期和模态，对比其他结构设计软件中计算得到的钢框架有限元模型的结构周期和模态，若两者的周期值、模态均一致，则将OpenSees有限元模型的第一个周期数值的1/10~1/5作为柱的失效时间，并计算OpenSees有限元模型的Rayleigh阻尼参数后进入步骤3），否则检查并修改OpenSees有限元模型的tcl命令流代码中的错误后回到步骤13）；