專利名稱：抗震加固結構的設計分析方法和存儲介質的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于管道支架的抗震加固結構的設計分析方法，該管道支架用于支撐例如天然氣(LGN)儲存設備廠中的能量輸送管道，還涉及一種存儲程序模塊的存儲介質，用于使計算機運行分析。
例如，作為對于現(xiàn)存的鋼框架鋼筋混凝土結構的抗震加固方法，已經有人提出包括使鋼筋與澆注的混凝土很好地握裹來提高柱構件的強度的方法，和用鋼板加強柱構件的設計方法，以及類似的方法等等。
然而，在傳統(tǒng)的應用于管道支架和類似物的設計操作中，直到管道支架最終超出我們考慮的范圍而破壞，對構件例如梁、柱或者支撐的選擇不是采用極限載荷(實際強度)進行的。也就是說，對于結構和其承受外力之間的關系來說，所選擇的構件有時具有足夠的強度，有時沒有足夠的強度，在設計階段沒有反映出定量的估價。
作為一個用于支架結構的傳統(tǒng)的抗震加固方法中存在的問題是，當通過將加強板與位于鋼柱下端的柱與梁之間的節(jié)點部分相連接，或者通過澆注鋼筋混凝土柱腳而使鋼柱柱基與基礎剛性地進行連接時，柱基支座由鉸支支座改變?yōu)楣潭ㄖё?，剪力或者彎矩通過位于柱基和加強板之間或者鋼筋混凝土的新的連接傳遞到基礎。傳遞到基礎的剪力或者彎矩隨著地震力大小的增加而增大。因此，如果鋼柱柱基與基礎是剛性連接的話，基礎本身不能承受高于其允許應力強度的應力，從而會破壞。
傳統(tǒng)的用于基礎的強度設計能夠確保具有抵抗軸向力(一種沿構件的軸向作用的載荷)的足夠的安全系數，但是抵抗彎矩的安全系數與抵抗軸力的安全系數相比較來說卻沒有足夠的富余。因此，當基礎的允許應力有一些富余時，最好采用將一塊蓋板施加于柱或者梁來進行加固的抗震加固方法。然而，當基礎的允許應力的設計只有很小的余地時，簡單地采用蓋板來加固柱或者梁的方法不是最好的選擇。
在傳統(tǒng)的管道支架的設計中，直到管道支架最終超出我們考慮的范圍而破壞，對構件例如梁、柱或者支撐的選擇不是采用極限載荷(實際強度)來進行的。也就是說，對于支架結構和其承受的載荷之間的關系來說，所選擇的構件有時具有足夠的強度，有時沒有足夠的強度，在設計階段，直至整個管道支架破壞，并沒有反映出對于載荷條件和構件選擇的定量估價。
另外，在結構設計中，對于管道支架的極限載荷進行定量估價很重要，通過抗震加固擴展彈性區(qū)和塑性變形區(qū)，從而可以提高管道支架的抗震性能。然而，對這些因素進行定量估價很困難，這種估價也是基于設計人員的經驗得出的。
本發(fā)明的目的是提供一種以延性系數比為基礎的估價載荷度的設計分析方法，該載荷能夠由具有采用混凝土柱腳的抗震加固結構的管道支架來平衡，定量地獲得作為管道支架的構件的每一根柱、梁或者支撐的體現(xiàn)載荷增加的載荷系數(地震烈度)和允許應力強度比(σ/f)之間的關系，由所給定的設計條件來確定每一構件或者整個結構破壞的極限載荷，并且提供一種存儲程序模塊的存儲介質，用于使計算機運行分析。
為了達到上述目的，按照本發(fā)明的抗震加固結構的設計分析方法和存儲介質的主要特征如下。
也就是說，一種抗震加固結構的設計分析方法，其特征在于包括選擇步驟，根據構件的允許應力強度比對抗震加固結構的構件進行選擇；延性系數比的調整(set)步驟，調整允許作為所選擇構件的抗震加固的變形放大率的延性系數比；載荷系數計算步驟，以所調整的延性系數比為基礎，計算在塑性范圍內作用于所選擇的構件上的載荷的增加；計算步驟，計算在塑性范圍內相應于載荷的增加的允許應力強度比；以及確定步驟，當將所計算的允許應力強度比限定為最大值時，確定在塑性范圍內相應的載荷增加為所選擇的構件破壞時的極限載荷。
在該抗震加固結構的分析方法中，允許應力強度比的最大值最好為1.0。
在該抗震加固結構的分析方法中，在該抗震加固結構中，在柱構件的基礎與采用混凝土柱腳的加強構件之間設置有減震部件的抗震加構的延性系數比最好不小于3.0。
在該抗震加固結構的分析方法中，在選擇步驟中，最好將由抗震加固結構支承的物體的載荷用作構件選擇的一個條件。
在該抗震加固結構的分析方法中，在確定步驟中，對于由多種類型的構件形成的抗震加固結構，將所確定的單個構件的極限載荷進行比較，并且將其中最小的極限載荷值確定為該抗震加固結構的極限載荷值。
在該抗震加固結構的分析方法中，在確定步驟中，最好是，對于由主要構件和用于加強主要構件的加強件形成的抗震加固結構，將所確定的單個構件的極限載荷進行比較，當主要構件的極限載荷大于加強件的極限載荷時，則將主要構件的極限載荷確定為該抗震加固結構的極限載荷。
在該抗震加固結構的分析方法中，最好是，主要構件包括梁或者柱構件，加強件包括支撐構件。
一種用于存儲使計算機實施抗震加固結構的設計分析方法的程序模塊的存儲介質，包括選擇模塊，用于根據構件的允許應力強度比對抗震加固結構的構件進行選擇；延性系數比調整模塊，用于調整允許作為所選擇構件的抗震加固的變形放大率的延性系數比；載荷系數計算模塊，用于以所調整的延性系數比為基礎，計算在塑性范圍內作用于所選擇構件上的載荷的增加；計算模塊，用于計算在塑性范圍內相應于載荷的增加的允許的應力強度比；以及確定模塊，用于當將所計算的允許應力強度比限定為最大值時，確定在塑性范圍內的相應的載荷增加為所選擇的構件破壞時的極限載荷。
在該存儲介質中，允許應力強度比的最大值最好為1.0。
在該存儲介質中，于抗震加固結構中，在柱構件的基礎與采用混凝土柱腳的加強構件之間設置有減震部件的抗震加固的延性系數比最好不小于3。
在該存儲介質中，在選擇模塊中，構件的選擇處理最好是通過將由抗震加固結構支承的物體的載荷用作構件選擇的一個條件來執(zhí)行。
在該存儲介質中，在確定模塊中，最好是，對于由多種類型的構件形成的抗震加固結構，將所確定的單個構件的極限載荷進行比較，并且將其中最小極限載荷定確定為該抗震加固結構的極限載荷。
在該存儲介質中，在確定模塊中，最好是，對于由主要構件和用于加強主要構件的加強件形成的抗震加固結構，將所確定的單個構件的極限載荷進行比較，當主要構件的極限載荷大于加強件的極限載荷時，則將主要構件的極限載荷作為該抗震加固結構的極限載荷。
一種抗震加固結構的設計分析方法，包括以下步驟
以由上述的設計方法所確定的極限載荷為基礎，對所選擇的構件進行設計；以及通過在所設計選擇的柱構件的基礎和采用混凝土柱腳的加強件之間提供減震部件來對抗震加固進行設計，所述加強構件用于加強基礎。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在下面參照相關附圖的描述中變得十分清楚，其中在所有的附圖中，相同的附圖標記代表相同的或者類似的部件。


圖1A是在加固前由鋼柱形成的管道支架的整個結構的平面圖；圖1B是在加固前管道支架的整個結構的前視圖；圖1C是在加固前管道支架的整個結構的側視圖；圖2是管道支架1的未被加固的柱基的下端側面的放大圖；圖3是當從圖2中的箭頭所示的方向看時，示于圖2中的柱基下端的連接部件的視圖；圖4是管道支架1的柱基的放大圖，它由采用混凝土柱腳的加固結構來進行加固；圖5是當從圖4中的箭頭所示的方向看時，管道支架1的柱基的剖面圖，它由采用混凝土柱腳的加固結構來進行加固；圖6是在管道支架1的柱基處設置金屬應變片13a至18a的布置圖，用于在加固前進行抗震測試；圖7是在管道支架1的柱基處設置金屬應變片13b至18b的布置圖，用于在加固后進行抗震測試；圖8A是由對用于非抗震加固結構的模塊A進行靜載荷試驗所獲得的載荷-位移曲線圖；圖8B是由對用于抗震加固結構的模塊B進行靜載荷試驗所獲得的載荷-位移曲線圖；圖9是顯示靜載荷試驗的結果表，也就是說，直至支架結構屈服的位移(屈服位移xy)的測量結果和直至支架結構破壞的位移(最大位移xu)以及延性系數μ(＝xu/xy)之間的比較表；圖10是與網絡相連接的信息處理裝置的原理布置的方框圖；圖11A是用于解釋按照本發(fā)明的一個實施例的抗震加固方法的程序步驟的流程圖；圖11B是用于解釋按照本發(fā)明的一個實施例的抗震加固方法的詳細的程序步驟的流程圖；圖12A是顯示框架結構的恢復力特性中的完全的彈-塑性變形圖；圖12B是顯示框架結構的恢復力特性中的滑移變形圖；圖13A是當水平載荷(P)作用于結構上時產生的水平位移(δ)圖；圖13B是用于解釋存儲的彈性能量和彈-塑性能量之間的關系圖(彈性恢復力的面積△OAB等于彈-塑性恢復力的面積□OCDE)；圖14是用于解釋所選擇的構件的載荷系數和允許應力強度比之間的關系曲線圖；圖15是顯示構件特性數據內容的表格。
<抗震加固結構的描述>
下面將參考相關的附圖描述應用于管道支架的抗震加固方法。圖1A至圖1C所示的是在加固前的管道支架1的整個結構。圖1A是由鋼柱2a(例如H型鋼)所形成的管道支架1的平面圖，圖1B是管道支架1的前視圖，圖1C是管道支架1的側視圖。每一個鋼柱2a位于基礎3之上，如圖1B和1C所示。梁2b固定于兩個柱2a之間，由支撐構件2c進行加固。
圖2是管道支架1的未加固的柱基的下端側面的放大圖。圖3是當從圖2中的箭頭所示的方向看時，圖2中所示的柱基的下端的連接部件的視圖。圖2和圖3顯示的是一種狀態(tài)，其中未加固的鋼柱2a焊接到底板4上，并且用地腳螺栓5與基礎3相連接。
圖4是管道支架1的柱基放大圖，它由采用混凝土柱腳的加固結構來進行加固。圖5是當從圖4中所示的箭頭方向看時，管道支架1的柱基剖面圖，它由采用混凝土柱腳的加固結構來進行加固。在管道支架的基礎上形成抗震加固結構(混凝土柱腳12)的程序將在下面參考圖4進行描述。
混凝土柱腳(the concrete portion with pedestal fundation)12是通過將用于固定混凝土柱腳12的地腳螺栓9固定于基礎3上來形成的，沿基礎3布置頂部鋼筋8和箍筋6，然后沿鋼柱2a布置用于形成預定間距10的模板，最后澆筑混凝土。下一步是將沿鋼柱2a所埋入的模板移走，從而沿鋼柱2a形成間距10。將這樣獲得的間距10用預先選擇好的填充料(例如隔振橡膠)進行填充，從而形成混凝土柱腳的加固結構。
<由抗震加固結構進行加固的管道支架>
<抗震性能的評估>
為了檢驗具有混凝土柱腳的抗震加固結構的管道支架1的加固效果，通過將一靜載荷施加于非抗震加固結構的支架(指下文的“模型A”)和抗震加固結構的支架(指下文的“模型B”)上來實施一靜載荷試驗，從而獲得超過構件例如梁，支撐和柱的屈服點的強度(極限強度)。
下面將參考圖6和7來描述該靜載試驗。
圖6是在管道支架1的柱基處設置金屬應變片13a至18a的布置圖，用于在加固前進行抗震試驗。圖7是在管道支架1的柱基處設置金屬應變片13b至18b的布置圖，用于在加固后進行抗震試驗。靜載荷P水平地施加于圖1B所示的模型A的梁上，當載荷P逐漸增大時，用應變片測量所發(fā)生的位移。載荷P還施加于模型B的相同的位置處。
<屈服位移、最大位于和延性系數之間的比較>
圖8A和圖8B所示的是由靜載荷試驗所獲得的模型A和模型B的載荷-位移曲線圖。按照該試驗可以推測，在非抗震加固結構的模型A中，每一個構件的應力是隨載荷的增加而逐漸增大的，地腳螺栓在25KN(圖8A中的點A1)的載荷處超過了屈服點，并且在58KN(圖8A中的點B1)的載荷處進入塑性區(qū)。之后，隨著載荷繼續(xù)增大，只有應變增加，地腳螺栓在67KN的載荷處發(fā)生脆性斷裂。該點被視為模型A的破壞點(圖8A中的點C1)。可以確定，非抗震加固結構的管道支架的極限強度是由地腳螺栓的強度來確定的。
另一方面，在具有抗震加固結構的模型B中，可以確定，構件由于按照加載方向的受壓支撐和梁柱的順序進行加載，超過了屈服點。受壓支撐在160KN(圖8B中的點A2)的載荷處超過了塑性區(qū)。之后，當繼續(xù)加載時，只有位移增加，支撐在170KN的載荷處完全屈曲。由于地腳螺栓的強度隨著在柱腳(圖4)上的混凝土柱腳的增加而增大，柱和梁用鋼板進行加固，受壓側支撐首先屈曲。支撐在142mm(圖8B中的點C2)的位移處斷裂。這就是模型B的破壞點。
按照圖8A和圖8B所示的曲線，非抗震加固結構的模型A(圖8A)的屈服點不是很明顯，而具有抗震加固結構的支架的屈服點則很明顯(圖8B)，也就是說，直至最后斷裂，其特性明顯地不同于圖8A。
圖9是顯示靜載荷試驗的結果表，也就是說，直至支架結構屈服的位移(屈服位移xy)和直至支架結構破壞時的位移(最大位移xu)和屈服位移與最大位移之比的延性系數μ(＝xu/xy)之間的比較表。參見圖9，具有抗震加固結構的模型B的延性系數大約為非抗震加固結構(模型A)的延性系數的三倍(13.7/4.4＝3.11)。延性系數之比將被稱為“延性系數比”。
具有抗震加固結構的結構延性系數比指的是變形放大率，對于非抗震加固結構，指的是在該點處結構能夠變形(包括彈性區(qū)和塑性變形區(qū))。延性系數比增大到三倍意味著需要三倍的能量(由載荷-位移曲線所包圍的面積)，直至結構由于載荷的增加而破壞，也就是說，結構破壞需要增加三倍的能量。
圖8A和圖8B表示由靜載荷加載所獲得的位移。施加振動載荷所發(fā)生的位移小于靜載荷試驗的位移。這是由于所施加的振動載荷作用于每一個構件上而引起了應力損失。因此，在設計支架時，主要考慮靜載荷。
如圖4和5所示，在該實施例中，沿鋼柱2a在大約10至15mm的間隙中布置減振部件10，減震部件10用一種具有很高的抗壓強度的填充料進行填充，其膨脹/收縮很小，能夠吸收由于彎曲變形產生的應力，尤其是，可以采用瀝青乳膠模壓成的條形板(減振材料)作為一種條形材料用于混凝土。
填充料并不限于上述的材料，可以使用任何彈性或者塑性變形的材料，例如各種包括隔振橡膠的橡膠材料，聚合材料例如環(huán)氧樹脂，金屬材料例如鋁板，鋁合金板和鋅板，合金材料或者例如包含石油或者煤的瀝青材料等。
也就是說，當外力作用其上時，可以使用任何能夠吸收鋼柱基礎的彎矩的材料。也可以使用任何結構或者形狀的構件，只要它能夠極大地降低從柱基傳遞至基礎的彎矩即可，它是通過以下措施來實現(xiàn)上述功能的，即在混凝土柱腳和柱基的下端側面之間形成間隙，而不是直接與之相連，用填充料填充間隙以降低混凝土柱腳和柱基的下端側面之間的界面粘結力，并且允許鋼柱柱基在吸收了大部分的由填充料和混凝土柱腳在柱基中產生的彎矩時而發(fā)生彎曲變形。
當此結構沒有由混凝土柱腳進行加固時，具有減震部件10的帶柱腳(圖4)的混凝土柱腳12還具有防止基礎3由于從柱構件2a傳來的應力而引起破壞的功能。由于具有這種功能，從柱構件2a傳遞至基礎3的應力通過減震部件10和混凝土柱腳12被消除。當混凝土柱腳12具有這種功能時，傳遞至基礎3的應力減小。因此，由基礎3所負擔應力隨之減小，從而可以防止基礎3發(fā)生任何破壞。
<考慮塑性時的抗震加固結構的設計分析方法>
支架的載荷-位移特性很明顯地依賴于有/沒有抗震加固結構(圖8A和圖8B)而變化。屈服位移和最大位移將從圖9所示的試驗數據進行比較。當形成的是非抗震加固的結構時，屈服位移為1.38mm。當形成的是具有抗震加固的結構時，屈服位移為10.36mm。也就是說，直到屈服時的彈性范圍增加大約7.5倍(＝10.36/1.38)。
將屈服后的最大位移進行比較。當形成的是非抗震加固的結構時，最大位移為6.12mm。當形成的是具有抗震加固的結構時，屈服位移為142mm。直到構件斷裂，塑性變形增加大約23.2倍(＝142/6.12)。如上所述，當形成的是具有抗震加固的結構時，彈性區(qū)和塑性變形區(qū)均變寬。
在抗震加固結構的設計分析方法中，可以估算出支架直至斷裂時，其抗震性能由于加固而增強的極限載荷，由極限載荷計算出設計載荷(使用載荷)。
另外，對載荷進行粗算以獲得梁、柱、支撐和類似構件的允許應力強度比，從而確定所選擇的構件是否恰當。
通常，在設計階段考慮極限斷裂的條件下來反映塑性變形和載荷條件是很困難的，這是由于它們的非線性特性的原因。在本實施例中，塑性變形接近完全的彈-塑性模型，被認為等同于彈性變形，其中儲存在變形模型(由載荷和位移確定)中的能量表現(xiàn)為線性特性，在該能量為常量的條件下，將載荷條件和位移條件作為設計中的約束條件。
在設計區(qū)逐漸變寬至極限塑性區(qū)中，獲得允許應力強度比(σ/f)和用于確定載荷增加與屈服載荷(產生屈服位移的載荷)比的載荷系數(地震烈度)之間的相互關系，以及選擇滿足設計條件的支架的構件(梁、柱和支撐)的方法將在下面進行描述。
<抗震加固設計的程序>
圖11A是用于解釋按照本實施例的抗震加固方法的處理步驟的流程圖。
<步驟S1101>
在步驟S1101中，確定是否已經進行了支架的結構計算。
如果沒有執(zhí)行結構計算(S1101-否)，則程序進入步驟S1190和S1195，執(zhí)行管道支架的結構計算和支架基礎的設計計算。
如果已經執(zhí)行了管道支架的結構計算(S1101-是)，則程序進入步驟S1103。
圖10是表示與網絡相連接的信息處理裝置的示意結構的方框圖。與用于管道支架的結構計算有關的支架規(guī)格信息由輸入設備1007例如鍵盤或者鼠標輸入，并且存儲進信息處理裝置的RAM 1004b和輔助存儲設備1004c中。在OS 1002的控制下由CPU 1010執(zhí)行自動運算程序。
<步驟S1103>
在步驟S1103中，從基于結構計算的分析結果校核支架構件(梁，柱和支撐)的允許應力強度比。存儲在信息處理裝置(圖10)的輔助設備1004c中的構件特性數據中存儲了所有的單個構件的獨一無二的信息，包括剖面形狀，尺寸，彎矩(M)，剪力(Q)，屈曲長度(lb)，允許彎曲應力(fσ)，允許剪應力(fs)，以及允許應力強度比(σ/f)，如圖15所示。當允許應力強度比按照對構件選擇的參數調整為在預定范圍時，則對數據庫進行訪問，將落在允許應力強度比例如0.9≤□/f≤1.0的范圍內的那些構件選擇出來。
結果顯示于顯示設備1006例如信息處理裝置的顯示板上。設計人員可以依據所顯示的構件信息選擇或者改變構件。
<步驟S1104>
在步驟S1104中，輸入由管道支架支承的大直徑管道的支點。當將支架的載荷條件考慮進去作為輸入支點的梁構件時，允許應力強度比從第一設定范圍，例如0.8≤□/f≤1.0開始降低，從而可以選擇一種作為抗震加固結構的構件。
然而，抗震加固的允許應力強度比的范圍并不局限于上述范圍，可以任意調整。
<步驟S1105>
在步驟S1105中，以結構計算(步驟S1190和S1195)的結果，允許應力強度比(S1103)的校核，以及支點設定(S1104)為基礎，最終選擇出承受抗震加固的構件。
<步驟S1106>
在步驟S1106中，對在步驟S1105中選擇出的構件進行抗震加固設計。從允許應力強度比和載荷系數的關系曲線中，確定用于該抗震加固設計的載荷系數和允許應力強度比。按照圖11B中的流程表運行詳細的程序。抗震加固設計的詳細的程序步驟將參考圖11B中的流程表來進行描述。
<步驟S1201>
在圖11B所示的步驟S1201中，對用于由所選擇的構件形成的管道支架的延性系數比進行調整。該參數定義為延性系數比＝(抗震加固結構的延性系數)/(非抗震加固結構的延性系數)。
延性系數比對于計算用于確定設計載荷的余量的安全系數設計一個很重要的因素，也就是說對于確定載荷系數和在塑性區(qū)確定極限載荷是很重要的一個因素。結構模量和延性系數比的關系將在下面進行描述。
<結構模量和延性系數比>
框架結構中的恢復力特性取決于構件的結構、構件的連接方法以及載荷(P)和位移。至于在框架結構(當恢復力不存在時)破壞時的累積塑性變形量，在完全彈-塑性類型(圖12A)、滑移類型(圖12B)或者具有完全彈-塑型和滑移型的組合后的恢復力特性的振動類型中，由于累積塑性變形的正負反應值幾乎相等，故可吸收的塑性應變能量UWP給定如下UWP＝2QyδB(1)其中δB結構斷裂時的層間位移。
當采用累積塑性變形的放大率η來估價框架的變形能力時，等式(1)可以這樣表達η＝δB/δY (2)其中δY框架屈服時的層間位移。
實際中的管道支架是一個接近兩層的結構。基于這個原因，當框架結構的每一層的恢復力特性用完全的彈-塑性變形來代替時，直至結構破壞時，第一層的能量吸收量UWPt由下式給出UWP1＝(Mg2T2/4π2)×2C1α21η1(3)其中C11/x1x1K1/keqkeq4π2M/T2T第一順序固有期K1第一層的彈性常數α1第一層的屈服剪力系數Qy第一層的屈服強度η1第一層的累積塑性變形的平均放大率。
UWP1和直至管道支架的第一層破壞時的整個框架所吸收的塑性變形總能量UWP之間的關系由下式給出UWP＝α1-UWP1(4)因為α1能夠表達為結構的每一層的強度分配，剛度分配和面積分配的函數，所以彈性振動能量可以表達為We＝(Mg2T2/4π2)×(α21/2) (5)利用等式(1)至(5)，可以得出結構破壞時第一層的屈服剪力系數α1為α1＝1/(1+4C11)(1/2)×2πVD/gT (6)其中VD速度譜(velocity spectrum)因此，第一層所需的極限強度的下限值Qun1為Qun1＝α1W (7)其中W結構總重＝Mg。
按照日本建筑標準，等式(7)可以改寫為Qun1＝DsFesQud1 (8)當Qud1＝ZRtC0W和Fes＝Z＝1.0時，由等式(7)和(8)我們可以得出α1＝DsRtC0(9)等式(9)可以基本上被視為加速度反應譜(acceleration responsespectrum)。加速度反應譜和速度反應譜VD之間的關系為RtC0g＝(2π/T)VD(10)當以等式(10)為基礎對等式(6)和(9)進行比較時，結構模量Ds給定如下Ds＝1/(1+4C11)(1/2)(11)將其最終作為管道支架的塑性系數。
由于在抗震試驗中所獲得的支架的延性系數比大約為3.0，因此可以將該值作為計算中所用的變形放大率。另外，可以將延性系數比設定為任意常量。
正如在本發(fā)明的實施例中所述的，采用用于柱構件基礎的減振構件的抗震加固方法能夠使結構具有使彈性區(qū)和塑性變形區(qū)變寬的結構特性和抗震特性。因此，與已有技術相比較能夠使材料選擇和設計載荷的范圍變寬。
<步驟S1202>
在圖11B所示的步驟S1202中，以在步驟S1201中確定的延性系數比為基礎，考慮管道支架的極限載荷的塑性設計的載荷系數以等式(11)為基礎進行計算。
在抗震試驗中所獲得的支架的延性系數比大約為3.0。當將該值代入等式(11)中時，結構模量Ds為Ds＝0.33 (12)等式(12)的數值是一個落在由日本建筑標準所確定的結構模量的允許范圍之內的恰當的值，日本建筑標準給定為Ds＝0.3至0.55(13)結構模量是一個在計算結構的固有強度中由結構的形狀所確定的數值。在設計中考慮極限強度時，固有強度設計成可以防止結構產生破壞，即使在結構構件超過屈服點應力時。因此，支架的塑性設計的載荷系數Ce大約為1.3(＝1.0+結構模量Ds 0.33)，也就是說Ce1.3 (14)Ce值在用于設計載荷中有安全系數的含義。將設計載荷乘以安全系數所得的載荷值作為極限載荷。
<步驟S1203>
在步驟S1203中，運行獲得載荷系數(地震烈度)和允許應力強度比(σ/f)的關系的程序。這種關系是在假定模型的基礎上獲得的，其中當支架結構中發(fā)生塑性變形時，載荷和塑性變形之間的關系大致就是所謂的完全的彈-塑性模型，直至破壞(其作用由載荷和位移體現(xiàn))，當支架的特性用一個彈性構件代替時，其能量幾乎等于恢復力(能量)。
也就是說，當水平載荷作用于結構時(圖13A)，在力的作用位置，水平力X和水平位移δ之間的關系可以簡化為圖13B所示的關系曲線，其中彈性恢復力的面積△OAB等于彈塑性恢復力的面積□OCDE。由抗震試驗獲得的彈塑性恢復力特性與圖13B所示的OCD曲線相一致。
在日本的建筑標準中這樣規(guī)定(1)在計算每一個構件的截面時，所允許應力強度比(σ/f)必須小于1.0，以及(2)雖然延性系數比很大，但是允許應力強度比從來不會大于1.0，例如1.3。
塑性設計用于校核一個結構在抵抗極限載荷時是否安全，極限載荷是通過將所作用的載荷乘以載荷系數來獲得的。也就是說，執(zhí)行設計，以便通過將用于允許應力強度比的設計載荷(作用載荷)乘以載荷系數(安全系數)來確定極限載荷，以及載荷的放大值等于主框架結構破壞時的載荷(破壞載荷)。
在步驟S1203中，可以獲得用于每一個所選擇的構件的允許應力強度比和載荷系數之間的關系，如圖14所示。
載荷的增加，與用于設計載荷(作用載荷)的載荷系數相一致，它是由使塑性區(qū)的位移增加的屈服水平載荷Py所引起，其用使彈性變形增加的載荷來代替的，作為圖13B中的從C點(Py，δy)增大到A點(PE，δE)的載荷。當允許應力強度是用來計算載荷的增加時，可以獲得與載荷系數相對應的允許應力強度比。
由于延性系數比因采用抗震加固結構而提高，所以彈性變形和塑性變形的范圍變寬。因此，可行的設計范圍也超過了彈性范圍(屈服點)和塑性范圍內的載荷增加，以及相應于載荷的增加的允許應力強度比。
然而，對于載荷的增加，日本建筑標準規(guī)定允許應力強度比不超過1.0，正如上面所描述的。
關于抗震加固的效果，可行的設計范圍變寬。如果相應于選擇好的構件的允許應力強度比的最大值(上限值)為1.0的話，載荷系數可以規(guī)定為構件斷裂的極限載荷。在最大值處充分利用可行的設計范圍的極限設計法已經很可行。
<步驟S1204>
在步驟S1204中，以在步驟S1203(圖14)中所獲得的載荷系數和允許應力強度比為基礎，可以確定設計載荷，以及所選擇的每一構件是否均恰當。
(1)參考所選擇構件的允許應力強度比的上限值1.0，可以確定相應于它的載荷系數。當極限載荷確定之后，可以得到設計載荷，以及確定作用于管道支點處和類似處的載荷條件是否恰當。
例如，校核圖14中的支撐構件。當允許應力強度比為1.0時，載荷系數為1.57。在這種情況下，相對于基準載荷系數1.0(設計載荷)來說，載荷增加了大約57％。當所施加的載荷更大時，支撐構件破壞(屈曲)。將設計載荷(作用載荷)乘以安全系數所得到的載荷即為極限載荷。因此，當得出了載荷系數(安全系數)時，就可以定量地掌握允許設計載荷了。
從圖14中所示的關系曲線，可以得出相應于1.57的載荷系數的梁構件的允許應力強度比為0.94。同樣地，柱構件的允許應力強度比為0.9。二者的允許應力強度比均小于1.0并且還有富余。
另一方面，對于梁構件，當允許應力強度比為1.0時，其載荷系數大約為1.68。對于柱構件，即使當載荷系數超過1.70時，允許應力強度比仍舊小于1.0并且還有富余。
在包括梁、柱和支撐構件的管道支架中，即使在相應于1.57的載荷系數的載荷作用，支撐屈曲時，柱構件也不會達到其極限載荷，支架結構仍然會很穩(wěn)定。
在所確定的用于管道支架的多種類型的構件的極限載荷中，將最小值作為該結構的極限載荷值。
然而，如果管道支架的主要構件的極限載荷大于加強件例如支撐構件的極限載荷的話，則將主要構件的最小的極限載荷值確定為該支架結構的極限載荷值。
(2)相反地，所選擇的構件是否落在預定的允許應力強度比(σ/f)的范圍內，可以通過參考載荷系數來確定。
例如，現(xiàn)在校核圖14中的柱構件。當載荷系數為1.5時(載荷增加50％)，柱構件的允許應力強度比(σ/f)為0.88。也就是說，即使當載荷增加50％時，柱構件的允許應力強度比仍然小于1.0(上限值)并且有富余。如果0.88的值落在所給定的允許應力強度比的設計自由度內的話，則此柱構件滿足設計條件。
如果所選擇的構件不合適的話，程序返回執(zhí)行步驟S1103和S1104，以選擇構件并且重新調整條件，比如載荷條件(S1103和S1104)。
當確定了極限載荷時，繼續(xù)確定是否所選擇的每一種材料恰當，如上所述，程序繼續(xù)向前執(zhí)行圖11A中的步驟S1107。
<步驟S1107>
在圖11A的步驟S1107中，對每一構件的變量信息進行測量，例如每一個抗震構件的傾斜或者彎曲度，對結果進行處理。
<步驟S1108>
在步驟S1108中，創(chuàng)建管道支架圖。
<步驟S1109>
在步驟S1109中，執(zhí)行用于抗震加固工作的整平處理(planningprocessing)。
<步驟S1110和S1111>
在步驟S1110中，按照基礎設計計算(步驟S1195)校核在基礎中產生的設計應力。在步驟S1111中，將基礎中產生的預定應力選擇為抗震加固的目標。
<步驟S1112>
在步驟S1112中，對在步驟S1111中選擇的基礎部分進行抗震加固設計。作為一種抗震加固的方法，參照圖4和5確定用于所述方法的加強件的尺寸。
作為該設計分析方法，可以使用任何結構和形狀的構件，只要它能夠滿足如下條件，即通過在混凝土柱腳和柱基之間形成間隙，而不是直接相連，用填充料填充間隙以降低混凝土柱腳和柱基之間的界面的粘結力，允許鋼柱當吸收了大部分的由填充料和混凝土柱腳在鋼柱柱基中的彎矩而產生的外力的作用而產生彎曲變形，從而極大地降低從柱基傳到基礎的彎矩。
填充料的材料并不局限于隔振橡膠，可以使用任何彈性材料或者塑性變形的材料，例如各種橡膠材料，聚合材料例如環(huán)氧樹脂，金屬材料例如鋁板，鋁合金和鋅板，金屬合金材料或者例如包含石油或者煤的瀝青材料。也就是說，當外力作用時，能夠吸收鋼柱柱基的彎矩。
所述間距可以空開而不一定用填充料來填充。在這種情形下，當外力作用于間隙的空隙部分時，吸收鋼柱柱基的彎矩的效果降低。然而，與間隙中填充有填充料的情形相比，鋼柱柱基的彎矩變形允許的范圍可以通過間隙的空隙部分而變寬，該彎矩變形是由外力的作用而產生的。因此，在鋼柱柱基產生的彎矩和從柱基傳到基礎的彎矩會由于間隙的空隙部分而減小。上述的兩種結果，即使當間隙中空開時，仍希望填充有填充料。
<步驟S1113>
在步驟S1113中，執(zhí)行在步驟S1112中所做的加固設計的圖形生成程序。
在圖10中所示的信息處理裝置中，在OS 1002的控制下，由CPU 1010執(zhí)行圖11A和圖11B中所示的流程表的程序。在校核每一構件(步驟S1103)的允許應力強度比時，對構件特性數據進行訪問，可以存儲在輔助存儲設備1004c中，例如信息處理裝置中的硬盤中或者ROM 1004a中。另外，也可以通過與網絡(1005)相連接，將數據傳送/接受到另一個信息處理裝置，或者從另一個信息處理裝置傳送，可以使用經過恰當修改過的數據。
在本實施例中，可以根據從延性系數比所獲得的定量分析來得出管道支架的實際強度，外力能夠被抵消的程度也會變得很清楚。當采用延性系數比來進行抗震設計時，可以選擇出最佳的構件。
本發(fā)明的目的還可以通過提供一種存儲介質來達到，該存儲介質可以存儲用于完成上述實施例所述的系統(tǒng)或者裝置的功能的軟件程序代碼，并且使系統(tǒng)或者裝置的計算機(或者CPU或者MPU)能夠讀出和執(zhí)行存儲在存儲介質中的程序代碼。
在這種情形下，從存儲介質讀出的程序代碼就能夠完成本發(fā)明的新的功能，存儲程序代碼的存儲介質構成本發(fā)明。作為提供程序代碼的存儲介質有，例如軟盤，硬盤，光盤，磁光盤，，DVD，CD-ROM，磁帶，非易失存儲卡，ROM，EEPROM，或者類似物。
上述實施例的功能不僅可以由計算機運行讀出的程序代碼來完成，而且可以在以程序代碼的指令為基礎時，由運行在計算機上的操作系統(tǒng)(OS)執(zhí)行部分或者全部程序來完成。上述實施例的功能還可以在將從存儲介質讀出的程序代碼寫入插入計算機上的功能擴充卡或者與計算機相連接的功能擴充單元的內存中來完成，功能擴充卡或者功能擴充單元的CPU以程序代碼的指令為基礎執(zhí)行部分或者全部程序。
如上所述，按照采用用于支承在基礎構件上的柱構件的混凝土柱腳的抗震加固，在基礎和混凝土柱腳之間布置有減震部件。因為在基礎中由外力產生的彎矩可以通過減震部件進行減小，致使它幾乎不會傳遞到基礎，這樣基礎構件所分擔的彎矩就會減小。因此，與抗震加固前的結構相比較，延性系數比可以提高，可以通過加寬構件的彈性范圍和塑性變形范圍來加寬可行的設計范圍。
在采用抗震加固的抗震加固結構的設計分析方法中，可以由載荷系數和允許應力強度比的關系來確定管道支架的極限載荷。
當采用延性系數比來進行抗震設計時，可以根據抗震能力來選擇構件。
由于在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的條件下可以作出許多不同的實施例，所以應當理解，本發(fā)明并不局限于除外其所附權利要求限定的特定實施例。
權利要求
1.一種抗震加固結構的設計分析方法，包括選擇步驟，根據構件的允許應力強度比對抗震加固結構的構件進行選擇；延性系數比的調整步驟，調整允許作為所選擇構件的抗震加固的變形放大率的延性系數比；載荷系數計算步驟，以所調整的延性系數比為基礎，計算在塑性范圍內作用于所選擇的構件上的載荷的增加；計算步驟，計算在塑性范圍內相應于載荷的增加的允許應力強度比；以及確定步驟，當將所計算的允許應力強度比限定為最大值時，確定在塑性范圍內的相應的載荷增加為所選擇的構件破壞時的極限載荷。
2.按照權利要求1的分析，其中允許應力強度比的最大值為1.0。
3.按照權利要求1的分析，其中在該抗震加固結構中，在柱構件的基礎和采用混凝土柱腳的加強件之間設置有減震部件的抗震加固的延性系數比不小于3.0。
4.按照權利要求1的分析方法，其中在選擇步驟中，將由抗震加固結構支承的物體的載荷用作構件選擇的一個條件。
5.按照權利要求1的分析方法，其中在確定步驟中，對于由多種類型的構件形成的抗震加固結構，將所確定的單個構件的極限載荷進行比較，并且將其中最小的極限載荷值確定為該抗震加固結構的極限載荷值。
6.按照權利要求1的分析方法，其中在確定步驟中，對于由主要構件和用于加強主要構件的加強構件形成的抗震加固結構，將所確定的單個構件的極限載荷進行比較，當主要構件的極限載荷大于加強件的極限載荷時，則將主要構件的極限載荷確定為該抗震加固結構的極限載荷。
7.按照權利要求6的分析方法，其中主要構件包括梁或者柱構件，加強件包括支撐構件。
8.一種用于存儲使計算機實施抗震加固結構的設計分析方法的程序模塊的存儲介質，包括選擇模塊，用于根據構件的允許應力強度比對抗震加固結構的構件進行選擇；延性系數比調整模塊，用于調整允許作為所選擇構件的抗震加固的變形放大率的延性系數比；載荷系數計算模塊，用于以所調整的延性系數比為基礎，計算在塑性范圍內作用于所選擇構件上的載荷的增加；計算模塊，用于計算在塑性范圍內相應于載荷的增加的允許的應力強度比；以及確定模塊，用于當將所計算的允許應力強度比限定為最大值時，確定在塑性范圍內的相應的載荷增加為所選擇的構件破壞時的極限載荷。
9.按照權利要求8的介質，其中允許應力強度比的最大值為1.0。
10.按照權利要求8的介質，其中在抗震加固結構中，在柱構件的基礎和采用混凝土柱腳的加強件之間設置有減震部件的抗震加固的延性系數比不小于3.0。
11.按照權利要求8的介質，其中在選擇模塊中，構件的選擇處理是通過將由抗震加固結構支承的物體的載荷用作構件選擇的一個條件來執(zhí)行。
12.按照權利要求8的介質，其中在確定模塊中，對于由多種類型的構件形成的抗震加固結構，將所確定的單個構件的極限載荷進行比較，并且將其中最小的極限載荷確定為該抗震加固結構的極限載荷。
13.按照權利要求8的介質，其中在確定模塊中，對于由主要構件和用于加強主要構件的加強件形成的抗震加固結構，將所確定的單個構件的極限載荷進行比較，當主要構件的極限載荷大于加強件的極限載荷時，則將主要構件的極限載荷確定為該抗震加固結構的極限載荷。
14.一種抗震加固結構的設計分析方法，包括以下步驟以設計分析方法所確定的極限載荷為基礎，對所選擇的構件進行設計；以及通過在所設計選擇的柱構件的基礎和采用混凝土柱腳的加強構件之間提供減震部件來對抗震加固進行設計，所述加強件用于加強該基礎，其中確定極限載荷的設計分析方法包括選擇步驟，根據構件的允許應力強度比對抗震加固結構的構件進行選擇；延性系數比的調整步驟，調整允許作為所選擇構件的抗震加固的變形放大率的延性系數比；載荷系數計算步驟，以所調整的延性系數比為基礎，計算在塑性范圍內作用于所選擇的構件上的載荷的增加；計算步驟，計算在塑性范圍內相應于載荷的增加的允許應力強度比；以及確定步驟，當將所計算的允許應力強度比限定為最大值時，確定在塑性范圍內的相應的載荷增加為所選擇的構件破壞時的極限載荷。
全文摘要
根據構件的允許應力強度比對抗震加固結構的構件進行選擇,調整容許作為所選擇構件的抗震加固的變形放大率的延性系數比,以所調整的延性系數比為基礎,計算在塑性范圍內作用于所選擇的構件上的載荷的增加,并且獲得相應的允許應力強度比。當將所獲得的允許應力強度比限定為最大值為1.0時,則在塑性范圍內的相應的載荷增加被確定為所選擇的構件破壞時的極限載荷。
文檔編號E04G23/02GK1361342SQ01144018
公開日2002年7月31日 申請日期2001年12月25日 優(yōu)先權日2000年12月25日
發(fā)明者安在一, 立川隆, 吉田圭二郎, 須藤浩, 中村友道, 落合茂 申請人:日本海Lng株式會社, 三菱重工業(yè)株式會社, 喬奎爾咨詢株式會社