一种结构柱遭遇冲击荷载后的损伤评估方法技术

本发明专利技术公开了一种结构柱遭遇冲击荷载后的损伤评估方法，首先通过定性和定量分析来选取结构柱的损伤评估参数，再建立不同破坏模式下对应的损伤评估指标计算模型，并量化形成统一的损伤评估等级界限，然后以损伤评估参数为横纵坐标，拟合绘制损伤评估等级界限处的等值线作为损伤评估曲线，最后根据损伤评估参数组合点与损伤评估曲线的位置关系评估结构柱遭遇冲击荷载后的损伤程度。本发明专利技术适用于所有类型结构柱，具有简便通用、快速精确、易于推广等特点，可为结构抗冲击设计和防连续倒塌设计提供有力依据。

A Damage Assessment Method for Structural Columns Subjected to Impact Loading

【技术实现步骤摘要】
一种结构柱遭遇冲击荷载后的损伤评估方法
本专利技术属于结构工程防灾减灾
，具体涉及一种结构柱遭遇冲击荷载后的损伤评估方法的设计。
技术介绍
结构柱作为建筑物的重要承重构件，在正常使用阶段除了要承受上部结构传来的竖向荷载，往往还会受到侧向冲击荷载的威胁，比如汽车撞击底层建筑结构柱、飞行物撞击高层建筑结构柱、高铁列车/火车撞击站房结构柱、滚石撞击临山建筑结构柱等，此类事故/灾害一旦发生，结构柱将会受到不同程度的损伤甚至破坏失效，这将严重危害人们的生命和财产安全，同时产生恶劣的社会舆论。为了提高建筑结构的抗冲击性能，在设计前首先需要明确结构柱在遭遇冲击荷载后的损伤程度，然后才可以有依据地进行抗冲击设计和防连续倒塌设计。由此可见，建立一种能够快速判定冲击荷载作用下结构柱损伤程度的方法对确保建筑结构的安全可靠尤为重要。目前有关结构柱的损伤评估方法多集中于地震和爆炸领域，而在冲击领域中对结构柱损伤评估的研究还比较薄弱。在机理层面，主要是对结构柱遭遇冲击后的损伤演化规律和累积损伤程度进行研究；在理论层面，一般是通过分析不同参数下结构柱的冲击动力响应来定性描述损伤程度；在试验层面，通过对冲击体和结构柱的简化模型进行冲击试验来真实反映冲击过程和损伤情况。这些研究虽然促进或形成了相应的损伤评估方法，但也存在一些不足：(1)现有损伤评估方法仅适用于单一类型的结构柱(如钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱、钢结构柱等)，没有形成通用的损伤评估方法；(2)有关损伤评估参数的选取，通常是根据结构柱的动力响应进行确定，各冲击参数对结构柱损伤程度的影响缺乏数理论证；(3)损伤评估准则通常是根据单一破坏模式建立，损伤评估指标难以代表不同破坏模式下的损伤程度，并且没有形成统一的损伤评估等级。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中没有通用的损伤评估方法，各冲击参数对结构柱的损伤程度缺乏数理论证，并且没有建立通用的损伤评估准则以及没有形成统一的损伤评估等级的问题，提出了一种结构柱遭遇冲击荷载后的损伤评估方法。本专利技术的技术方案为：一种结构柱遭遇冲击荷载后的损伤评估方法，包括以下步骤：S1、在静力设计的基础上通过定性分析得到符合实际冲击工况的影响参数。S2、通过敏感性分析定量选取对结构柱损伤程度影响最大的两个影响参数p和q作为损伤评估参数。S3、根据不同的结构柱破坏模式，建立对应的损伤评估指标计算模型，并量化形成统一的损伤评估等级界限。S4、将损伤评估参数p和q分别作为横纵坐标，拟合绘制损伤评估等级界限处的等值线，得到损伤评估曲线。S5、根据损伤评估参数p和q具体取值组合点与损伤评估曲线的位置关系，判定结构柱遭遇冲击荷载后的损伤程度是否达标，若是则结束评估，否则重新进行静力设计后返回步骤S1。进一步地，步骤S2包括以下分步骤：S21、对特定结构柱赋予一个典型冲击工况作为基准工况，计算得到该结构柱的最大挠度，并将其作为基准挠度δs。S22、针对步骤S1定性分析得到的影响参数，依次令各参数在基准工况的基础上按-ta％,-(t-1)a％,...,-a％,a％,...,(t-1)a％,ta％的变化幅度变化，并保持其他参数不变，通过LS-DYNA有限元程序计算得到结构柱的最大挠度δmax；其中a为单位变化幅度，t为变化频次。S23、根据基准挠度δs和最大挠度δmax计算得到结构柱的挠度变化率ω，计算公式为：ω＝(δmax-δs)/δsS24、将所有影响参数的挠度变化率整合为矩阵形式，得到挠度变化率矩阵[ω]：其中挠度变化率矩阵[ω]中的元素ωi,j表示影响参数j在变化幅度i下的挠度变化率，i＝1,2,...,m；j＝1,2,...,n，m为变化幅度总数，且m＝2t，n为影响参数总数。S25、根据参数的变化幅度对挠度变化率矩阵[ω]进行调幅处理，得到敏感性系数矩阵[K]＝[A]·[ω]，其中[A]为调幅矩阵，表示为：S26、计算得到敏感性系数矩阵[K]的列向量中各元素的最值Δj＝Max{|K1j|,|K2j|,|K3j|,…,|Kmj}，并将其作为各影响参数的敏感性系数。S27、选取敏感性系数最大的两个影响参数作为损伤评估参数p和q。进一步地，步骤S3中的结构柱破坏模式包括弯型破坏模式、剪型破坏模式和弯剪破坏模式。进一步地，弯型破坏模式下的损伤评估指标计算模型为：其中D表示损伤评估指标，δ1为初始挠度，δc为失效挠度，Δδ为挠度安全储备。进一步地，剪型破坏模式下的损伤评估指标计算模型为：其中D表示损伤评估指标，S1为开裂面积，S为结构柱的截面面积，S′为结构柱的有效面积。进一步地，弯剪破坏模式下的损伤评估指标计算模型为：其中D表示损伤评估指标，N为初始承载力，N0为预加轴力，N′为剩余承载力。进一步地，步骤S3中的损伤评估等级界限分别为损伤评估指标D＝0.2、D＝0.5以及D＝0.8；当损伤评估指标D的取值范围为0<D≤0.2时，表明结构柱轻度损伤；当损伤评估指标D的取值范围为0.2<D≤0.5时，表明结构柱中度损伤；当损伤评估指标D的取值范围为0.5<D≤0.8时，表明结构柱重度损伤；当损伤评估指标D的取值范围为0.8<D≤1.0时，表明结构柱破坏失效。进一步地，步骤S4包括以下分步骤：S41、以损伤评估参数p为横坐标，以损伤评估参数q为纵坐标，构建二维直角坐标系。S42、根据结构柱的破坏模式选取对应的损伤评估指标计算模型，对结构柱任意施加一组损伤评估参数(p,q)组合，并通过LS-DYNA有限元程序计算得到结构柱的动力响应。S43、将结构柱的动力响应输入损伤评估指标计算模型，得到该组(p,q)组合对应的损伤评估指标D值，并绘制于坐标系中。S44、重复步骤S41～S43，得到D＝0.2、D＝0.5以及D＝0.8附近的若干个(p,q)组合点，并将其拟合得到三条等值线，即损伤评估曲线。进一步地，步骤S5包括以下分步骤：S51、将任意冲击工况下的损伤评估参数p和q绘制于坐标系中，形成组合点(p,q)。S52、判断组合点(p,q)是否在损伤评估曲线图的标准范围内，若是则结构柱遭遇冲击荷载后的损伤程度达标，结束评估；否则结构柱遭遇冲击荷载后的损伤程度不达标，重新进行静力设计后返回步骤S1。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术通过定性和定量分析来选取结构柱的损伤评估参数，通过定性分析可以得到符合实际冲击工况的影响参数，结合定量分析可将敏感性最大的参数作为损伤评估参数，形成一套通用的选取方法，避免了凭经验主观选取评估参数带来的不利影响，从而使损伤评估结果更加精准。(2)本专利技术建立了通用的损伤评估模型，针对不同的破坏模式定义基于多变量的损伤评估指标计算模型，并量化形成了统一的损伤评估等级，所建立的损伤评估方法适用于各种类型结构柱，如钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱、钢结构柱等，解决了现有损伤评估方法普适性不足的问题。(3)本专利技术所提出的损伤评估方法相比于试验研究更加经济、便捷；相比于理论推演更加直观、实用，在进行损伤评估时，仅需判断损伤评估参数组合点与损伤评估曲线的位置关系即点与面的位置关系即可得到结构柱的损伤程度，具有简便通用、快速精确、易于推广等特点。(4)本专利技术所提出的损伤评估方法对结构柱进行损伤评估，为结构抗冲击设计和防连续倒塌设计提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构柱遭遇冲击荷载后的损伤评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在静力设计的基础上通过定性分析得到符合实际冲击工况的影响参数；S2、通过敏感性分析定量选取对结构柱损伤程度影响最大的两个影响参数p和q作为损伤评估参数；S3、根据不同的结构柱破坏模式，建立对应的损伤评估指标计算模型，并量化形成统一的损伤评估等级界限；S4、将损伤评估参数p和q分别作为横纵坐标，拟合绘制损伤评估等级界限处的等值线，得到损伤评估曲线；S5、根据损伤评估参数p和q具体取值组合点与损伤评估曲线的位置关系，判定结构柱遭遇冲击荷载后的损伤程度是否达标，若是则结束评估，否则重新进行静力设计后返回步骤S1。

【技术特征摘要】
1.一种结构柱遭遇冲击荷载后的损伤评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在静力设计的基础上通过定性分析得到符合实际冲击工况的影响参数；S2、通过敏感性分析定量选取对结构柱损伤程度影响最大的两个影响参数p和q作为损伤评估参数；S3、根据不同的结构柱破坏模式，建立对应的损伤评估指标计算模型，并量化形成统一的损伤评估等级界限；S4、将损伤评估参数p和q分别作为横纵坐标，拟合绘制损伤评估等级界限处的等值线，得到损伤评估曲线；S5、根据损伤评估参数p和q具体取值组合点与损伤评估曲线的位置关系，判定结构柱遭遇冲击荷载后的损伤程度是否达标，若是则结束评估，否则重新进行静力设计后返回步骤S1。2.根据权利要求1所述的结构柱遭遇冲击荷载后的损伤评估方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：S21、对特定结构柱赋予一个典型冲击工况作为基准工况，计算得到该结构柱的最大挠度，并将其作为基准挠度δs；S22、针对步骤S1定性分析得到的影响参数，依次令各参数在基准工况的基础上按-ta％,-(t-1)a％,...,-a％,a％,...,(t-1)a％,ta％的变化幅度变化，并保持其他参数不变，通过LS-DYNA有限元程序计算得到结构柱的最大挠度δmax；其中a为单位变化幅度，t为变化频次；S23、根据基准挠度δs和最大挠度δmax计算得到结构柱的挠度变化率ω，计算公式为：ω＝(δmax-δs)/δsS24、将所有影响参数的挠度变化率整合为矩阵形式，得到挠度变化率矩阵[ω]：其中挠度变化率矩阵[ω]中的元素ωi,j表示影响参数j在变化幅度i下的挠度变化率，i＝1,2,...,m；j＝1,2,...,n，m为变化幅度总数，且m＝2t，n为影响参数总数；S25、根据参数的变化幅度对挠度变化率矩阵[ω]进行调幅处理，得到敏感性系数矩阵[K]＝[A]·[ω]，其中[A]为调幅矩阵，表示为：S26、计算得到敏感性系数矩阵[K]的列向量中各元素的最值Δj＝Max{|K1j|,|K2j|,|K3j|,…,|Kmj|}，并将其作为各影响参数的敏感性系数；S27、选取敏感性系数最大的两个影响参数作为损伤评估参数p和q。3.根据权利要求1所述的结构柱遭遇冲击荷载后的损伤评估方法，其特征在于，所述步骤S3中的结构柱破坏模式包括弯型破坏模式、剪型破坏模式和弯剪破坏模式。4.根据权利要求3所述的结构柱...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳辉，王路明，赵一超，王喆，奉星宇，丁峰，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51