CN107862165B - 一种用于钢筋混凝土厂房安全评估的多层次数值模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于钢筋混凝土厂房安全评估的多层次数值模拟方法，包括厂房整体和厂房内关键构件两个层次的数值模拟过程，首先根据钢筋混凝土厂房的实际结构信息，建立厂房的整体梁单元模型，整理各构件的应力时程，确定厂房内关键构件；然后对关键构件建立局部细节模型，引入已有缺陷损伤，确定关键构件的损伤本构关系，得到修正后的局部细节模型；基于修正后的局部细节模型，考虑吊车移动过程的动力效应模拟关键构件的损伤演化过程，获得其结构劣化过程信息，可用于厂房安全评估。本发明通过多尺度仿真方法建立钢混厂房的模型，考虑了既有钢混厂房中缺陷导致的损伤演化对结构性能劣化的影响，尤其适用于钢混厂房的安全评估与改造加固过程。

Description

一种用于钢筋混凝土厂房安全评估的多层次数值模拟方法
技术领域
本发明公开一种钢筋混凝土结构安全评估的方法，具体涉及一种用于钢筋混凝土厂房安全评估的多层次数值模拟方法，属于钢筋混凝土结构安全评估及性能劣化过程仿真领域。
背景技术
现有钢筋混凝土结构的安全评估方法中，大部分都是弹性的分析，极少涉及到材料的损伤分析，更无法考虑已有缺陷导致的结构损伤演化并评估其对结构性能劣化的影响，所以需要发展出新方法满足这一要求。而且，钢筋混凝土厂房的空间尺度较大，实际的结构性能劣化过程中具有多层次性，因此也需要发展针对钢筋混凝土厂房的多层次模拟方法。
发明内容
发明目的：针对现有安全评估方法不考虑材料损伤及已有结构缺陷对结构性能影响的缺点，本发明提供一种用于钢筋混凝土厂房安全评估的多层次数值模拟方法，该方法综合考虑了已有缺陷对结构性能裂化的影响，对承受服役荷载的钢筋混凝土厂房结构性能劣化过程进行数值模拟。
技术方案：本发明所述的一种用于钢筋混凝土厂房安全评估的多层次数值模拟方法，包括厂房整体和厂房内关键构件两个层次的数值模拟过程，具体包括如下步骤：
步骤1，根据钢筋混凝土厂房的实际结构信息，建立厂房的整体梁单元模型，整理其中各混凝土构件的应力时程，分析确定厂房内关键构件；
步骤2，对识别的关键构件建立局部细节模型，引入已有缺陷损伤，确定关键构件的损伤本构关系，得到修正后的局部细节模型；
步骤3，基于修正后的局部细节模型，考虑吊车移动过程的动力效应模拟关键构件的损伤演化过程，获得其结构劣化过程信息，该信息可用于厂房安全评估。
上述步骤1中，关键构件的确定方法为：对厂房的整体梁单元模型施加实际的吊车载荷，利用影响线方法获得厂房内各混凝土构件危险截面的应力时程，分析应力结果，混凝土构件中应力水平和应力幅最大的部位即为厂房整体结构的危险部位，该危险部位所在构件即为关键构件。
上述步骤2中，通过等效简化方式建立局部细节模型，由于关键构件中不同部位的应力水平和应力幅情况参差不齐，局部细节模型的等效简化分三个部分：
(1)忽略整体梁单元模型中除关键构件外的次要构件；
(2)对于关键构件的非危险部位采用梁单元模拟；
(3)对关键构件中的危险部位采用实体单元模拟，钢筋用桁架单元模拟。
建立局部细节模型后，利用连续损伤力学理论在该模型中引入实际结构中的已有缺陷，描述缺陷所导致的材料刚度折减及演化过程，得到修正后的局部细节模型，即考虑缺陷的局部细节模型。
引入已有缺陷的方法为：
(1)缺陷引入位置：基于图像中的真实损伤情况，通过对局部细节模型中对应单元的刚度折减来模拟已有缺陷的损伤；
(2)材料属性的确定：如果已有缺陷处的损伤已达到破坏的临界值，用折减刚度后的弹性本构关系来模拟；其余无缺陷部位的实体单元采用所确定的损伤本构模拟损伤演化的过程；嵌入在混凝土中的钢筋损伤忽略，用无损伤的钢筋弹性本构模拟；对于关键构件的非危险部位，利用混凝土弹性本构来计算；
(3)缺陷处单元属性：对于钢筋混凝土厂房中主要出现的尺度在分米级的宏观表面缺陷，缺陷处的单元类型与整体梁单元模型中保持一致。
上述步骤3中，对修正后的局部细节模型施加等效的吊车荷载，通过有限元分析模拟吊车移动过程中已有缺陷导致的关键构件损伤演化过程及危险部位的应力时程，获得关键构件的结构劣化过程信息。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于，本发明通过多尺度仿真方法建立钢筋混凝土厂房的模型，在对厂房整体结构模拟的基础上，重点模拟了厂房内关键构件，同时引入已有缺陷，考虑了既有钢混厂房中缺陷导致的损伤演化对结构性能劣化的影响；另外，损伤演化过程中考虑了吊车移动过程的动力效应，模拟结构更精确，尤其适用于钢筋混凝土厂房的安全评估与改造加固过程。
附图说明
图1为采用本发明的多层次数值模拟方法对钢筋混凝土厂房进行结构性能劣化评估的框架图；
图2为实施例中建立的钢混厂房的整体梁单元模型图，其中，图2(a)为整体厂房的有限元模型图，图2(b)为厂房纵向的有限元模型图，图2(c)为厂房横向排架的有限元模型图；
图3为实施例中整理的厂房内各构件的应力时程图；
图4为实施例中建立的关键构件的局部细节模型图；
图5为实施例中引入已有缺陷损伤后的局部细节模型图；
图6为实施例中研究吊车荷载动力效应的吊车位移响应时程图；
图7为实施例中模拟的关键构件吊车梁的损伤演化过程云图，其中，图7(a)～7(d)分别表示不同吊车载荷作用时刻下吊车梁的损伤情况；
图8为实施例中计算出的跨中底部钢筋应力时程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的一种用于钢筋混凝土厂房安全评估的多层次数值模拟方法，该多层次数值模拟方法包括厂房整体和厂房内关键构件两个层次的数值模拟过程，该方法在连续损伤力学、有限元仿真等理论和技术基础上，通过多尺度仿真方法建立钢筋混凝土厂房的整体模型及关键构件的局部细节模型，同时，该方法考虑了钢混厂房中既有缺陷导致的损伤演化对结构性能劣化的影响，最终获得的结构劣化过程信息可用于钢筋混凝土厂房的安全评估和改造加固，还可根据改造加固方法反馈的信息以及新的检测结果对模型进行更新，如图1。
实施例
以某钢筋混凝土厂房为例，对本发明的一种用于钢筋混凝土厂房安全评估的多层次数值模拟方法进行说明。
步骤1，根据钢混厂房的实际结构信息，建立整体梁单元模型，通过对各混凝土构件应力时程的整理，确定关键构件。
如图1，钢混厂房的实际结构信息包括结构尺寸、材料参数、构件布置、受载形式、既有缺陷信息等；建立整体梁单元模型的要点为：忽略抗风柱、外墙等结构次要构件，重点考虑梁、柱、柱间支撑等主要结构构件；最终建立的整体梁单元模型如图2。
然后对厂房的整体梁单元模型施加实际的吊车载荷，利用影响线方法得到各混凝土构件危险截面的应力时程，如图3，通过比较应力可判定关键构件的危险部位，由应力结果分析得知：在混凝土构件中，吊车梁端部截面、梁跨中截面的应力水平和应力幅最大，其次是上柱底截面和下柱底部截面；吊车梁端部截面、梁跨中截面和上柱底截面是整体结构的危险部位，即吊车梁和牛腿组成的局部是钢混厂房的关键构件。
步骤2，对识别出的关键构件建立局部细节模型，引入已有缺陷损伤，确定关键构件的损伤本构关系，得到修正后的局部细节模型，即考虑缺陷的局部细节模型；
可通过等效简化的方式对识别出的关键构件建立局部细节模型，由于关键构件中不同部位的应力水平和应力幅情况参差不齐，等效简化分三个部分：
①忽略斜撑、屋盖桁架***、牛腿上部柱子等次要构件；
②对于非危险部位牛腿下部柱子采用梁单元模拟；
③对牛腿节点、吊车梁两处危险部位采用实体单元模拟，钢筋用桁架单元模拟。假定不同单元之间连接良好、位移协调一致，则梁单元与实体单元之间采用多点约束方法连接过渡，钢筋单元与混凝土实体单元之间采用嵌入式方法约束。获得的局部细节模型如图4。
已有缺陷的真实损伤信息引入方法有以下几个要点：
①缺陷引入位置：基于现场检测结果的真实损伤情况，将局部细节模型上翼缘跨中边缘处单元的刚度进行相应折减，以此来模拟已有缺陷，如图5。
②材料属性的确定：假设已有缺陷处的损伤已达到破坏的临界值，即损伤不再发展，可近似用折减刚度后的弹性本构关系来模拟；其余无缺陷部位的实体单元采用塑性损伤本构模拟损伤演化的过程；嵌入在混凝土中的钢筋损伤可忽略，故用无损伤的钢筋弹性本构模拟；此外，对于关键构件的非危险部位，利用混凝土弹性本构来计算。
③缺陷处的单元属性：现场检测结果中的已有缺陷属于宏观表面缺陷，尺度在分米级，所以无需进行网格细化。缺陷处的单元类型与整体保持一致，均为六面体八节点单元。
步骤3，考虑吊车移动过程的动力效应，对修正后的局部细节模型施加等效的吊车荷载，通过有限元分析模拟关键构件的损伤演化过程及危险部位的应力时程，获得关键构件的结构劣化过程信息，所获得的劣化过程信息即可用于进行安全评估。
图6提供了吊车最大竖向位移的各组比较结果。可以看出吊车荷载的动态效应对结构响应是有很大影响的，动力效应使位移峰值增加了大约6％，所以本发明在模拟过程中考虑到了动力效应的作用。
图7(a)～7(d)提供了已有缺陷导致的关键构件的损伤演化过程，具体如下：
①吊车运行至1.57s时，吊车梁底部开始出现了混凝土的损伤破坏，形成了初始的第一条裂缝。此时的损伤破坏范围很小，裂缝还未伸入腹板。
②继续运行0.14s，初始裂缝迅速扩展至腹板，在腹板的2/3位置处不再扩展，并且一直维持该长度到加载结束。底部的第二条裂缝开始萌生，方向基本平行于第一条裂缝。
③当吊车运行至3s，此时吊车的运行时间过半，除了若干条长裂缝之外，还出现了明显的斜裂缝(如图7(d)中编号为VII的裂缝)，但其长度相对较短。
④当加载结束之后，可以观察到一共出现了8条相对较长的裂缝，这些长裂缝之间夹杂着许多密集的短裂缝，它们的裂缝方向基本是平行的。
图8提供了跨中底部钢筋的应力时程。图中可看出，钢筋2-2的位置与既有缺陷处在同一侧时，钢筋的应力水平峰值提高了19.4％，即已有缺陷影响的结构性能劣化速度是原先的1.2倍，说明本发明的方法可以有效地模拟出既有损伤对钢混厂房结构性能劣化过程的加速作用。

Claims (1)

1.一种用于钢筋混凝土厂房安全评估的多层次数值模拟方法，其特征在于，该多层次数值模拟方法包括厂房整体和厂房内关键构件两个层次的数值模拟过程，具体包括如下步骤：
步骤1，根据钢筋混凝土厂房的实际结构信息，建立厂房的整体梁单元模型，整理其中各混凝土构件的应力时程，分析确定厂房内关键构件；所述关键构件的确定方法为：对厂房的整体梁单元模型施加实际的吊车载荷，利用影响线方法获得厂房内各混凝土构件危险截面的应力时程，分析应力结果，混凝土构件中应力水平和应力幅最大的部位即为厂房整体结构的危险部位，该危险部位所在构件即为关键构件；
步骤2，对识别的关键构件建立局部细节模型，引入已有缺陷损伤，确定关键构件的损伤本构关系，得到修正后的局部细节模型；
通过等效简化方式建立所述局部细节模型，局部细节模型的等效简化分三个部分：
(1)忽略整体梁单元模型中除关键构件外的次要构件；
(2)对于关键构件的非危险部位采用梁单元模拟；
(3)对关键构件中的危险部位采用实体单元模拟，钢筋用桁架单元模拟；
利用连续损伤力学理论在所述局部细节模型中引入实际结构中的已有缺陷，描述缺陷所导致的材料刚度折减及演化过程，得到修正后的局部细节模型；具体根据下述方法在所述局部细节模型中引入已有缺陷：
(1)缺陷引入位置：基于图像中的真实损伤情况，通过对局部细节模型中对应单元的刚度折减来模拟已有缺陷的损伤；
(2)材料属性的确定：假设已有缺陷处的损伤已达到破坏的临界值，用折减刚度后的弹性本构关系来模拟；其余无缺陷部位的实体单元采用所确定的损伤本构模拟损伤演化的过程；嵌入在混凝土中的钢筋损伤忽略，用无损伤的钢筋弹性本构模拟；对于关键构件的非危险部位，利用混凝土弹性本构来计算；
(3)缺陷处单元属性：对于钢筋混凝土厂房中出现的尺度在分米级的宏观表面缺陷，缺陷处的单元类型与整体梁单元模型中保持一致；
步骤3，基于修正后的局部细节模型，考虑吊车移动过程的动力效应模拟关键构件的损伤演化过程，获得其结构劣化过程信息，用于厂房安全评估；具体而言，对所述修正后的局部细节模型施加等效的吊车荷载，通过有限元分析模拟吊车移动过程中已有缺陷导致的关键构件损伤演化过程及危险部位的应力时程，获得关键构件的结构劣化过程信息。
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