建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法技术

本发明专利技术公开了建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，包括步骤(1)建立分析模型，获得张弦结构的初始状态及响应；步骤(2)选择具体一个预应力索做失效处理，然后对整体结构进行响应分析；步骤(3)对预应力索构件逐一做失效处理并逐一对失效后的结构进行响应分析：重复步骤(2)，以得到每个预应力索处于失效状态后的张弦结构的破坏状态及响应；步骤(4)进行张弦结构防连续倒塌设计。该方法能够有效防止在任意预应力索发生失效时张弦结构可能出现连续倒塌的情况发生，以保证张弦结构整体结构的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，包括步骤（1)建立分析模型，获得张弦结构的初始状态及响应■’步骤（2)选择具体一个预应力索做失效处理，然后对整体结构进行响应分析；步骤（3)对预应力索构件逐一做失效处理并逐一对失效后的结构进行响应分析：重复步骤（2)，以得到每个预应力索处于失效状态后的张弦结构的破坏状态及响应；步骤（4)进行张弦结构防连续倒塌设计。该方法能够有效防止在任意预应力索发生失效时张弦结构可能出现连续倒塌的情况发生，以保证张弦结构整体结构的稳定性。【专利说明】
本专利技术涉及建筑领域中的防倒塌方法，具体是指，它广泛适用于钢结构工程领域张弦结构设计中预应力索的防连续倒塌的分析与设计。
技术介绍
建筑结构的连续性倒塌是指结构因偶然荷载的作用造成结构局部破坏失效，继而引起与失效破坏构件相连的构件连续遭到破坏的连锁反应，最终导致相对于初始局部破坏更大范围的倒塌破坏，甚至全部倒塌。这些偶然荷载一般是指结构设计中没有考虑的意料之外的荷载，如煤气爆炸、炸弹袭击、车辆撞击、火灾、飓风、地震、基础沉降等，其造成的损伤往往是巨大和难以估计的。 人们关注建筑结构因局部破坏而引起连续倒塌的问题，最早始于上个世纪六十年代，因伦敦发生公寓楼因天然气爆炸而导致倒塌的事件，第一次引起了人们对建筑结构连续倒塌的关注，因此，英国是率先在建筑规程中考虑防连续倒塌设计的国家，而美国则是到了将近30年后的1995年发生了俄克拉马州的Alfred P Murrah大楼被炸弹炸毁后才开始重视防连续倒塌的研究，并且直到2001年的911事件，纽约世贸中心双塔被飞机撞击后发生了灾难性的连续倒塌，事后对双塔的倒塌过程进行仿真分析得知，双塔的倒塌直接原因是火灾导致的钢材软化和楼板塌落冲击荷载引起的连锁反应，此后，美国才陆续出台了防连续倒塌分析和设计的GSA准则和统一设施标准的UFC标准，前者确立了两种非线性分析方法及其不同的破坏准则等；后者则确立了建筑物的设防等级和相应的设计方法。 随着建筑结构遭遇偶然荷载的作用(含恐怖袭击)概率的增大，目前国外对于安全等级较高的建筑结构，工程师在建筑结构设计时都必须进行结构的防连续性倒塌设计，保证结构在一定安全可靠度之下具有防连续倒塌的能力，当偶然作用造成结构局部破坏时，结构能够通过多种荷载路径内力重新分布阻止破坏过大范围的蔓延，尽可能减少人员的伤亡和结构的破坏程度。 我国在美国911事件发生后，也开始了对建筑结构的防连续倒塌方面的研究，但尚没有制定出相应的设计规范或规程，仅在《混凝土结构设计规范》中给出防连续倒塌设计原则，《高层建筑混凝土结构技术规程》给出防连续倒塌的基本要求，这些都是针对混凝土结构的防连续倒塌设计，且并没有给出相应的具体的条文要求和设计方法，缺乏在实际的建筑工程建设中的可操作性。只是对于重大的建筑项目引入防连续倒塌的设计，属于个案摸索、没有统一的设计准则要求。 建筑钢结构中的张弦结构是一种张力结构，它是以一系列受拉的索作为主要承重构件，这些索按一定规律组成各种不同形式的结构体系，并悬挂在相应的支撑结构上。从力学角度看，钢索区别于杆件结构的主要特征是柔性构件，只能受拉，而抗压缩、弯曲、剪切及扭转的能力极低。索也经常承受横向载荷，产生横向变形，但它又不同于弯曲梁，索的弯曲刚度也极低，其横向载荷主要由轴向拉力来平衡。 预应力索常用于张弦结构设计中，是在结构承受荷载之前，预先对布置的钢索施加拉力，使其在服役期间，利用预加的拉、压应力全部或部分抵消载荷导致的压、拉应力，避免结构变形过大而遭到破坏，从而提高部分结构的刚度，平衡结构自重，改善结构的受力，使其在外荷载作用时的结构部分变形和相应的位移较小，以便结构在正常使用的情况下不因为变形过大而产生破坏。由于钢索特殊的力学性能，非常适于房屋和构筑物大跨度的结构形式，在张弦结构的设计中鉴于预应力索的巨大作用，其在大型公共建筑结构(机场、体育场馆、超高层建筑等)的使用广泛和频繁，张弦结构中预应力索能充分发挥高强材料的受拉性能，受力合理，自重轻，构造简单，施工方便，可以更经济地运用于大跨度结构，传力途径明确，其不足之处在于:张弦结构存在冗余度较少的缺陷，一旦预应力索失效，极容易引起连锁反应，造成大面积人员及财产损失，随着建筑结构遭偶然作用(含恐怖袭击)概率的增大，全世界对建筑结构的防连续倒塌能力要求都逐渐地提高，张弦结构设计中预应力索的防连续倒塌的设计就显得尤为重要了。 在张弦结构中，现采用的防连续倒塌的设计及分析方法通常是拆除构件法，即假定结构有局部初始破坏，拆除一根或几根主要受力构件，然后对剩余结构进行受力分析，预测初始破坏的蔓延情况，让结构具有多荷载传递路径，允许一定程度的破坏而不发生坍塌。如果拆除构件导致结构发生连续倒塌，则对该构件及相邻构件进行加强，否则不必进行加强。该方法既是一种分析方法，也是一种设计方法，当得出所设计的张弦结构中的倒塌规律，就能有针对性地对关键构件进行强化设计，以提高建筑的整体抗连续倒塌的能力。但上述方法中，需要预设局部失效的情况，假设情况不同，有许多要素的不同变化，会直接影响分析及设计的结果的合理性，如何使分析和设计结果更为合理？仍是在探索的过程中。 在我国个案的防连续倒塌设计实践中，克拉玛依市科技博物展览馆工程就对张弦结构进行了防连续倒塌的设计，主要分析了结构在正常使用和局部失效两种状态下的受力性能，对局部失效状况的受力情况均假设为标准值，如在防连续倒塌设计时只考虑任意一榀的下弦拉索失效，在标准荷载组合下，即1.0恒载+1.0活载+1.0预应力的荷载作用下，不考虑荷载组合系数，不对挠度进行控制，考虑材料进入塑性阶段时，控制上弦钢构件内力不超过极限承载力标准值，且假设拉索不超过0.5的屈服应力标准值，假设竖向荷载作用为标准荷载组合，不考虑构件失效的动力放大因素，综上所述，现有的防连续倒塌设计考虑构件的失效形式单一，因此，其设计的结果存在以下缺陷: (I)设计不够合理，影响结构的稳定性:其不对挠度进行控制，是缺乏合理性的，因为构件的挠度过大，其承载力和稳定性也将丧失，防连续倒塌的设计也失去意义；另外，其控制标准为上弦钢构件内力不超过极限承载力标准值，拉索不超过0.5的屈服应力标准值，控制标准部分为极限承载力，部分为屈服应力，一方面控制的形式不统一，另一方面，上弦钢构件内力控制在其极限承载力范围不够合理，未对各构件重要性进行区分对待，且未考虑构件的稳定性要求，一旦上弦钢构件失稳则该控制标准就失效了 ； (2)材料利用不够，不够经济的问题:拉索控制在0.5的屈服应力标准值范围内过于严格，对材料的利用不够，不够经济合理； (3)未考虑构件敏感度因素。 鉴于张弦结构中预应力索的防连续倒塌设计方法较为匮乏且存在的不合理性，本专利技术人针对此提出一种张弦结构设计中预应力索的防连续倒塌设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，该方法能够有效防止预应力索失效下的建筑体系张弦结构连续倒塌。 本专利技术的上述目的通过如下技术方案来实现的:，包括如下步骤: 步骤(I)建立分析模型，获得张弦结构的初始状态及响应:根据原结构静力荷载分析，在有限元模拟计算平台上建立张弦结构的有限元模型； 对包含预应本文档来自技高网...

【技术保护点】
建筑体系张弦结构中预应力索失效下的防连续倒塌设计方法，包括如下步骤：步骤(1)建立分析模型，获得张弦结构的初始状态及响应：根据原结构静力荷载分析，在有限元模拟计算平台上建立张弦结构的有限元模型；对包含预应力索的张弦结构进行预应力索未遭破坏时的静力状态分析，以初始整体张弦结构在竖向荷载作用下的静力作用分析，得出张弦结构的初始状态及响应；步骤(2)选择具体一个预应力索做失效处理，然后对整体结构进行响应分析：即假定某个预应力索处于失效状态，分别以该预应力索松弛和崩断两种状态作为预应力索的失效状态，然后对预应力索失效后的剩余张弦结构取荷载动力放大系数A，对剩余张弦结构进行A倍竖向荷载作用下的静力作用分析，以得出该预应力索失效后的张弦结构的破坏状态及响应；步骤(3)对预应力索构件逐一做失效处理并逐一对失效后的结构进行响应分析：重复步骤(2)，以得到每个预应力索处于失效状态后的张弦结构的破坏状态及响应；步骤(4)进行张弦结构防连续倒塌设计：以任意预应力索失效时，剩余张弦结构在竖向荷载作用下材料进入塑性阶段的情况下，控制张弦结构梁构件的挠度；控制剩余预应力索不应超过其0.8的屈服强度标准值，与发生失效的预应力索相连的张弦结构的钢构件应力不应超过极限承载强度标准值，控制不与发生失效的预应力索相连的张弦结构的钢构件应力，并对不与预应力索相连的各类型的钢构件的敏感性指标S.I.进行控制，其中，λ0是钢构件在初始状态下的承载能力，λd是预应力索失效后钢构件的承载能力；在上述设计标准下对张弦结构中的各钢构件进行补充设计调整，从而防止在任意预应力索发生失效时张弦结构可能出现连续倒塌的情况发生，以保证张弦结构整体结构的稳定性。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：区彤，徐昕，陈星，谭坚，张连飞，罗赤宇，
申请(专利权)人：广东省建筑设计研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44