本發(fā)明屬于建筑抗震模擬，具體涉及一種考慮真實(shí)損傷狀態(tài)的既有建筑抗震模擬方法。

背景技術(shù)：

1、城市建筑在服役期間，可能因地震、混凝土碳化、鋼筋銹蝕等自然或人為因素，出現(xiàn)承載力下降、使用功能降低等問(wèn)題。若要繼續(xù)使用這些建筑，就要對(duì)這些建筑進(jìn)行剩余性能評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果制定合理的加固和改造策略以恢復(fù)和提升建筑原有的抗震性能。在這種情況下，受損建筑的抗震數(shù)值模擬技術(shù)由于其顯著的高效性、便捷性和精確性被用于既有建筑的快速性能評(píng)估。

2、預(yù)損傷法和構(gòu)件性能折減法是模擬受損建筑抗震性能的兩類(lèi)主要方法。以遭受地震損傷的建筑為例，預(yù)損傷法通過(guò)對(duì)完好建筑的數(shù)值模型施加真實(shí)的地震動(dòng)記錄進(jìn)行非線(xiàn)性時(shí)程分析以模擬結(jié)構(gòu)受到的損傷，隨后評(píng)估建筑的抗震能力，常用的序列地震分析和震后推覆分析均屬于預(yù)損傷法。然而，通過(guò)非線(xiàn)性時(shí)程分析的數(shù)值結(jié)果確定的結(jié)構(gòu)損傷可能與實(shí)際損傷狀態(tài)不符。目前已有的數(shù)值模擬結(jié)果表明在非線(xiàn)性時(shí)程分析中，柱端塑性鉸破壞模式可能會(huì)被不合理地預(yù)測(cè)為梁端塑性鉸破壞模式。構(gòu)件性能折減法則根據(jù)觀察到的構(gòu)件損傷對(duì)構(gòu)件的宏觀力學(xué)特性進(jìn)行折減，然后將折減后的力學(xué)特性賦予模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的單元以實(shí)現(xiàn)損傷建筑的抗震模擬，但是該方法是一種未能描述材料真實(shí)損傷狀態(tài)的宏觀模擬法，可能會(huì)錯(cuò)誤估計(jì)受損建筑的抗震性能。

3、綜上所述，傳統(tǒng)的受損建筑數(shù)值模擬技術(shù)無(wú)法從材料和構(gòu)件層面考慮建筑遭受的實(shí)際損傷，進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估受損建筑的抗震性能。因此，需要一種可根據(jù)結(jié)構(gòu)可觀測(cè)損傷反演受損材料特性的數(shù)值模擬方法，以便準(zhǔn)確且快速地評(píng)估既有建筑的抗震性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種考慮真實(shí)損傷狀態(tài)的既有建筑抗震模擬方法，能夠根據(jù)實(shí)際觀測(cè)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件損傷快速建立受損建筑的數(shù)值模型，進(jìn)而評(píng)估建筑的地震風(fēng)險(xiǎn)和抗震能力，有助于有關(guān)部門(mén)制定合理的加固和改造策略。

2、技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種考慮真實(shí)損傷狀態(tài)的既有建筑抗震模擬方法，包括如下步驟：

3、s1：根據(jù)觀測(cè)的構(gòu)件損傷狀態(tài)確定量化的構(gòu)件損傷指數(shù)；

4、s2：根據(jù)構(gòu)件損傷指數(shù)確定受損構(gòu)件的材料損傷指數(shù)；

5、s3：根據(jù)材料損傷指數(shù)確定受損材料本構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)；

6、s4：基于受損構(gòu)件的材料本構(gòu)建立受損建筑的有限元模型；

7、s5：根據(jù)有限元模型，進(jìn)行受損建筑的地震風(fēng)險(xiǎn)和抗震性能評(píng)估。

8、進(jìn)一步地，所述步驟s1中構(gòu)件損傷指數(shù)通過(guò)park-ang損傷指數(shù)di量化表示。

9、進(jìn)一步地，所述步驟s2中使用損傷分布模型確定受損構(gòu)件的材料損傷指數(shù)；鋼筋混凝土構(gòu)件的截面分為保護(hù)層混凝土、核心區(qū)混凝土和鋼筋三個(gè)區(qū)域，損傷分布模型表示為這三個(gè)區(qū)域的材料損傷指數(shù)與構(gòu)件損傷指數(shù)di之間的映射關(guān)系，由此確定受損構(gòu)件的材料損傷指數(shù)。

10、進(jìn)一步地，所述步驟s2中保護(hù)層混凝土材料損傷指數(shù)dc與di之間的映射關(guān)系、核心區(qū)混凝土材料損傷指數(shù)dcc與di之間的映射關(guān)系、鋼筋材料損傷指數(shù)ds與di之間的映射關(guān)系分別如公式(1)、(2)和(3)所示，

11、

12、進(jìn)一步地，所述步驟s3中受損材料包括受損保護(hù)層混凝土、受損核心區(qū)混凝土和受損鋼筋三種材料。

13、進(jìn)一步地，所述步驟s3中受損保護(hù)層混凝土的本構(gòu)采用kent-scott-park模型模擬，模型的骨架曲線(xiàn)通過(guò)峰值壓應(yīng)變?chǔ)與d、峰值壓應(yīng)力fcd、極限壓應(yīng)變?chǔ)與u三個(gè)參數(shù)定義，計(jì)算公式分別為

14、

15、

16、其中，εc和fc分別表示無(wú)損保護(hù)層混凝土的峰值壓應(yīng)變和峰值壓應(yīng)力；εcd和fcd分別表示受損保護(hù)層混凝土的峰值壓應(yīng)變和峰值壓應(yīng)力；z表示應(yīng)變軟化斜率系數(shù)。

17、進(jìn)一步地，所述步驟s3中受損核心區(qū)混凝土的本構(gòu)采用mander模型模擬，模型的骨架曲線(xiàn)通過(guò)峰值壓應(yīng)變?chǔ)與cd、峰值壓應(yīng)力fccd、極限壓應(yīng)變?chǔ)與cu和彈性模量eccd四個(gè)參數(shù)定義，計(jì)算公式為

18、

19、其中，εcc和fcc分別表示無(wú)損核心區(qū)混凝土的峰值壓應(yīng)變和峰值壓應(yīng)力；εccd和fccd分別表示無(wú)損核心區(qū)混凝土的峰值壓應(yīng)變和峰值壓應(yīng)力；r表示骨架曲線(xiàn)形狀系數(shù)；ec表示無(wú)損核心區(qū)混凝土的彈性模量；esec＝fcc/εcc表示無(wú)損核心區(qū)混凝土在峰值應(yīng)力處的割線(xiàn)模量；fyv表示箍筋的屈服強(qiáng)度；εsu表示箍筋的斷裂應(yīng)變；ρv表示箍筋的體積配箍率。

20、進(jìn)一步地，所述步驟s3中受損鋼筋的本構(gòu)采用三折線(xiàn)模型模擬，模型的骨架曲線(xiàn)由正負(fù)向的三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)確定；鋼筋的力學(xué)行為正負(fù)對(duì)稱(chēng)，故正負(fù)向的關(guān)鍵點(diǎn)取值相同；三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(ε1,σ1)、(ε2,σ2)和(ε3,σ3)的確定如下：

21、第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的應(yīng)力σ1和應(yīng)變?chǔ)?分別計(jì)算如下

22、σ1＝0.1fy?(13)

23、

24、其中，es和fy分別表示鋼筋的彈性模量和屈服強(qiáng)度；

25、第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的應(yīng)力σ2和應(yīng)變?chǔ)?根據(jù)鋼筋材料損傷指數(shù)ds確定，計(jì)算如下

26、

27、其中，εy和b分別表示鋼筋的屈服應(yīng)變和應(yīng)變硬化率；

28、第三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的應(yīng)力σ3和應(yīng)變?chǔ)?分別計(jì)算如下

29、σ3＝fu?(17)

30、

31、其中，fu表示鋼筋的極限應(yīng)力。

32、進(jìn)一步地，所述步驟s4中采用opensees平臺(tái)建立受損建筑的有限元模型：由于地震作用下框架梁和框架柱的主要損傷集中在梁端的塑性鉸區(qū)段，故采用基于纖維截面的塑性鉸梁柱單元模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件；基于纖維截面的塑性鉸梁柱單元是一種基于力的纖維梁柱單元，使用該單元需要定義兩端的塑性鉸長(zhǎng)度lp，lp按下式計(jì)算

33、lp＝0.08l+0.022fydl(n,mm)?(19)

34、其中，l表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件等效為懸臂構(gòu)件的長(zhǎng)度；dl表示鋼筋直徑；

35、梁柱單元兩端塑性鉸區(qū)的控制截面為受損材料組成的纖維截面，中間區(qū)段的控制截面為無(wú)損材料組成的纖維截面；受損和無(wú)損保護(hù)層混凝土的本構(gòu)采用基于kent-scott-park模型骨架曲線(xiàn)的concrete02模型模擬，將εcd、fcd和εcu輸入concrete02模型的調(diào)用命令可模擬受損保護(hù)層混凝土的本構(gòu)，將εc、fc和εcu輸入concrete02模型的調(diào)用命令可模擬無(wú)損保護(hù)層混凝土的本構(gòu)；受損和無(wú)損核心區(qū)混凝土的本構(gòu)采用基于mander模型骨架曲線(xiàn)的concrete04模型模擬，將ecd、εccd、fccd和εccu輸入concrete04模型的調(diào)用命令可模擬受損核心區(qū)混凝土的本構(gòu)，將ec、εcc、fcc和εccu輸入concrete04模型的調(diào)用命令可模擬無(wú)損核心區(qū)混凝土的本構(gòu)；受損和無(wú)損鋼筋分別采用hysteretic和steel02模型模擬，將(ε1,σ1)、(ε2,σ2)和(ε3,σ3)輸入hysteretic模型的調(diào)用命令可模擬受損鋼筋的本構(gòu)，將fy、es和b輸入steel02模型的調(diào)用命令可模擬無(wú)損鋼筋的本構(gòu)。

36、進(jìn)一步地，所述步驟s5中采用地震易損性分析方法進(jìn)行受損建筑的地震風(fēng)險(xiǎn)和抗震性能評(píng)估；地震易損性被描述為結(jié)構(gòu)在某一特定的地震動(dòng)強(qiáng)度im下超越某一極限狀態(tài)的累積概率，概率地震易損性模型具體表示為需求模型與能力模型的卷積，公式如下

37、

38、其中，edp為結(jié)構(gòu)的工程需求參數(shù)；lsi表示某一極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的edp閾值；sd|im和βd|im分別為給定im下結(jié)構(gòu)地震需求的中位值和標(biāo)準(zhǔn)差；βc表示極限狀態(tài)的離散程度，取其為0.3；βm表示模型不確定性的標(biāo)準(zhǔn)差，取為0.2；φ[·]表示累積正態(tài)分布函數(shù)；

39、地震需求中位值sd|im和地震強(qiáng)度參數(shù)im之間服從冪指數(shù)回歸關(guān)系，表示如下

40、sd|im＝a(im)b?(21)

41、對(duì)公式(21)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，可得

42、lnsd|im＝lna+blnim?(22)

43、其中，a和b為回歸系數(shù)；地震需求對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差βd|im的計(jì)算如下

44、

45、其中，n為非線(xiàn)性動(dòng)力時(shí)程分析總數(shù)；i表示第i次非線(xiàn)性動(dòng)力時(shí)程分析；用于進(jìn)行回歸分析的數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)增量動(dòng)力分析ida方法和云圖法獲得。

46、有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，針對(duì)既有建筑，通過(guò)損傷分布模型將實(shí)際觀測(cè)到的構(gòu)件損傷狀態(tài)轉(zhuǎn)化為了量化的材料損傷指數(shù)，能直觀地揭示材料的損傷程度，與現(xiàn)有的預(yù)損傷法和構(gòu)件性能折減法相比更具科學(xué)性和合理性；提出了基于材料損傷指數(shù)的受損材料本構(gòu)確定方法，將受損材料的本構(gòu)賦予opensees的纖維模型可實(shí)現(xiàn)受損建筑的快速建模，有效地還原了既有建筑的真實(shí)損傷；結(jié)合地震易損性分析方法，能實(shí)現(xiàn)既有建筑地震風(fēng)險(xiǎn)和抗震能力的快速評(píng)估，為有關(guān)部門(mén)制定合理的加固與改造策略提供進(jìn)一步支持。