[发明专利]一种高层钢框架结构的地震倒塌分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域，特别涉及一种高层钢框架结构的地震倒塌分析方法。

背景技术

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研究。文献1(Hakuno M，Meguro K.Simulation of concrete frame collapse due to dynamic loading[J].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[D].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3(Ibarra L F.Krawinkler H.Global Collapse of Frame Structures under Seismic Excitations[R].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[J].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 B，Azuma K，et al.Brittle fracture in steel frame seismic damage of beam-to-column rigid connection in the 1995 Hyogoken-Nanbu earthquake[A].Behavior of steel structures in seismic areas[C].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。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种高层钢框架结构的地震倒塌分析方法，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：

一种高层钢框架结构的地震倒塌分析方法，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Δt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+Δt)获取单元的应变增量dε；

(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+Δt时刻单元的应力σ_t+Δt；

(10)更新时间t为t+Δt，重新执行步骤(1)。

所述动力方程为：

式中，M、C和K分别为质量、阻尼和刚度矩阵；u(t)、和分别为结构位移、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：