一种考虑拉索锈蚀的多重响应荷载域动力时程分析方法技术

一种考虑拉索锈蚀的多重响应荷载域动力时程分析方法，用于建立大跨度双向张弦梁结构的抗震分析理论，确保结构的安全性能。本方法基于非线性动力时程分析法，采用计算机的手段实现更为直接、更为深入的研究大跨度双向张弦梁结构在地震作用下的特征响应规律的方法。以不同烈度的地震动记录为基准，考虑拉索在不断增大的锈蚀程度下符合双向张弦梁结构特征响应的影响规律。用有限元方法求解双向张弦梁结构在荷载时程范围内的多种特征响应，对双向张弦梁结构在地震作用下的表现进行评价，以及最终失效倒塌时刻的结构特性。对考虑拉索锈蚀的大跨度双向张弦梁结构抗震设防具有重要的现实意义，科学有效实用性强。科学有效实用性强。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑拉索锈蚀的多重响应荷载域动力时程分析方法


[0001]本专利技术属于大跨度空间结构抗震领域，具体涉及一种考虑拉索锈蚀的多重响应荷载域动力时程分析方法用来分析大跨度双向张弦梁结构在拉索不同锈蚀程度下的地震响应方法。
技术背景
[0002]大跨度双向张弦梁结构属于预应力大跨空间结构体系，其预应力拉索的重要性不言而喻，当结构长期处于恶劣的服役环境中，由于拉索受到锈蚀将会对结构性能产生影响，进而对整个结构的安全性产生威胁。
[0003]同时，这些大跨度结构有一部分比例位于地震烈度高的区域。高强度地震动的产生依然会对结构造成安全性的影响。
[0004]目前国内主要是针对结构的拉索锈蚀研究或地震研究的单一影响进行探讨，这样将会高估结构的性能，而考虑两者的共同作用相对很少。因此结合拉索不同锈蚀程度下的强震性能对了解大跨度双向张弦梁结构在服役期内的安全性具有重要的指导作用。
[0005]目前，研究者通过对大跨空间结构拉索锈蚀的大量研究，取得了阶段性的成果。研究了对弦支穹顶结构的上部网壳锈蚀对结构性能的影响，其中由于杆件锈蚀的状态下对结构的跨中挠度、拉索索力等响应进行了分析。但对于由于拉索的锈蚀对张弦结构性能的影响没有相关研究；分析了弦支筒壳结构考虑因拉索的锈蚀和松弛而引起的拉索预应力损失问题，基于可靠度理论对其在正常使用极限状态下拉索的可靠性进行分析。选取中部拉索进行锈蚀与松弛的模拟，分别模拟了单根和多根拉索的锈蚀与松弛得到不同位置处拉索的可靠度指标，根据输出的不同位置处的可靠度指标及其变化趋势；研究了腐蚀试验方法对钢绞线、高强镀锌钢丝、半平行钢丝束及钢拉四种拉索形态，得到拉索材料的锈蚀规律，之后通过失重法和拉伸试验又得到拉索锈蚀后的力学性能。以体育馆为张弦梁结构为算例，分析拉索锈蚀对预应力的影响规律。拉索腐蚀对预应力与结构本身带来不利影响，并且对结构的挠度影响最大。但对于拉索锈蚀对结构造成的影响过于简单，得到的响应过于单一，无法全面反映出锈蚀程度对结构性能的整体影响。
[0006]目前，研究者通过对张弦梁结构的地震影响的大量研究，取得了阶段性的成果。分析了双向张弦梁结构以随机振动功率谱法进行多维多点地震动模拟，分别采用下部结构形式为双层框架与单层框架与双向张弦梁连接的结构形式进行计算，对结构施加三个方向地震动在多维多点下的地震反应分析。地震动各向分量对结构不同的构件提供不同的作用。对于两种下部结构形式的不同是对于双向张弦梁地震响应的最大影响。对于结构抗震性能意见的参考需考虑多维多点与张弦梁同下部结构共同考虑的基本标准；研究了辐射式结构的张弦梁进行地震时程，分析表面不同的结构参数对地震响应产生不同的影响；分析了张弦网壳结构分别进行单点与多维多点的地震反应。对于张弦网壳结构来说依据固定支座的模型进行抗震性能验算则保全保障性较低，结构响应偏低。在地震过程中的拉索索力与撑杆内力较小。建议对此结构抗震性能设计时考虑多维多点；研究了考虑初始缺陷的情况下
进行罕遇地震下的弹塑性分析。通过剩余承载力可以量化的对结构抗震性能进行划分；分析了弦支筒壳屋盖的一段进行多维多点下的地震影响，考虑结构在不同的视波速下的行波效应与一致地震输入进行对比分析，当对弦支筒壳结构进行多维多点计算时应充分考虑多种地震波的各个方向全部进行试算以得到正确分析结论；分析弦支网壳结构进行地震时程的弹塑性影响，结构在三种波形下的性能水平，利用IDA对结构的弹性阶段与塑性阶段的抗震性能水准进行分析；分析了辐射式张弦梁采用IDA进行了地震影响，首先对结构用有限元进行计算与实际现场测量结果相比较验证了结构的准确性。提出适用本结构的时程分析方法对结构进行不同强度的地震反应分析，选取适合张弦结构的不同响应，对结构的抗震性能水准进行有效划分。基于已有网壳结构的损伤模型提出适用的损伤指数。最后基于统计方法绘制出结构的地震易损曲线；研究了内外双重张弦结构形式，分别进行了弹塑性地震分析。选取了外侧周围有支柱、非对称和对称框架的三种结构形式首先进行了结构构件的规格尺寸优化，之后输入条幅后的三向地震波进行地震时程分析计算。
[0007]但是目前针对大跨度双向张弦梁考虑拉索锈蚀下的地震影响研究还比较少，且已有的研究大多为针对张弦梁结构的拉索锈蚀研究或地震研究的单一影响进行探讨，故仍有一些关键性的问题亟待解决，例如：
[0008]目前国内主要是针对结构的拉索锈蚀研究或地震研究的单一影响进行探讨，这样将会高估结构的性能，而考虑两者的共同作用相对很少。因此结合拉索不同锈蚀程度下的强震性能对了解大跨度双向张弦梁结构在服役期内的安全性具有重要的指导作用。
[0009]针对大跨度双向张弦梁同时考虑拉索锈蚀与地震动共同作用下的影响研究仍存在不足。
[0010]大跨度双向张弦梁结构分为上弦梁与中撑杆与下弦索三部分而成的新型大跨度预应力空间结构形式，相比于单向张弦梁能够很好的提供侧向刚度。由于双向张弦梁结构具有非常强的非线性特点，且拉索是结构中重要的预应力结构。通过不同的锈蚀程度改变拉索自身的性能将会使结构重新发生内力重分布致使整体结构的受力方式重新发生变化根据双向张弦梁的受力特点，亟需建立结构的抗震性能分析方法，建立大跨度双向张弦梁在拉索锈蚀下抗震分析理论，具有重要的理论与实用价值和广阔的应用前景。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于提供一种基于非线性时程分析法考虑拉索不同锈蚀程度下的多重响应荷载域动力时程的分析方法。
[0012]为了分析大跨度双向张弦梁在拉索锈蚀下地震影响的分析方法，实现本专利技术目的的技术解决方案为：
[0013]一种基于非线性时程分析法考虑拉索不同锈蚀程度下的多重响应荷载域动力时程的分析方法，包括如下步骤：
[0014]步骤1：建立有限元模型；
[0015]步骤2：基于非线性动力时程分析考虑拉索不同锈蚀程度，采用以不同烈度的地震动记录为基准，研究拉索不同锈蚀程度下对于大跨度双向张弦梁地震响应的影响规律；
[0016]步骤3：根据拉索不同锈蚀程度下双向张弦梁结构自身特点，提取适用于此结构的地震特征响应指标；
[0017]步骤4：分析结构的特征响应并对其进行划分从而判断结构的失效模式。
[0018]步骤5：根据划分的特征响应建立结构的抗震性能水准与损伤状态的划分。
[0019]进一步的，所述步骤1具体包括如下步骤：
[0020]步骤1.1：采用ANSYS有限元软件建模，采用APDL(ANSYSParametricDesignLanguage)编程命令流，以下弦跨中榀两向拉索交点平面投影为坐标原点，拉索坐标原点，以结构横向为X轴，纵向为Y轴，竖向为Z轴，建立有限元空间分析模型；
[0021]步骤1.2：采用单元BEAM189模拟上弦空心箱型梁、采用单元pipe288模拟上下弦中间空心圆钢管撑杆以及采用单元LINK10模拟下弦半平行钢丝束拉索，采用多线性随动强化模型，考虑结构的几何非线性与材料非线性；
[0022]步骤1.3：双向张弦梁结构最左侧与最上侧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑拉索锈蚀的多重响应荷载域动力时程分析方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1：建立有限元模型；步骤2：基于非线性动力时程分析考虑拉索不同锈蚀程度，采用以不同烈度的地震动记录为基准，研究拉索不同锈蚀程度下对于大跨度双向张弦梁地震响应的影响规律；步骤3：根据拉索不同锈蚀程度下双向张弦梁结构自身特点，提取适用于此结构的地震特征响应指标；步骤4：分析结构的特征响应并对其进行划分从而判断结构的失效模式。步骤5：根据划分的特征响应建立结构的抗震性能水准与损伤状态的划分。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括如下步骤：步骤1.1：采用ANSYS有限元软件建模，采用APDL(ANSYS Parametric Design Language)编程命令流，以下弦跨中榀两向拉索交点平面投影为坐标原点，拉索坐标原点，以结构横向为X轴，纵向为Y轴，竖向为Z轴，建立有限元空间分析模型；步骤1.2：采用单元BEAM189模拟上弦空心箱型梁、采用单元pipe288模拟上下弦中间空心圆钢管撑杆以及采用单元LINK10模拟下弦半平行钢丝束拉索，采用多线性随动强化模型，考虑结构的几何非线性与材料非线性；步骤1.3：双向张弦梁结构最左侧与最上侧约束支座处节点的所有位移自由度与转向自由度；最右侧与最下侧仅约束支座处节点的竖向自由度以及转向自由度，释放水平X方向与Y方向自由度。对下弦拉索施加合适的拉索初始应变。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：步骤2.1：选择地震动记录，即地震波并选择峰值地面加速度(PGA)为地震动强度指标，对地震动记录进行调幅处理。步骤2.2：以各种烈度地震动为基准，在结构中输入调幅后的地震记录，以拉索不同的锈蚀程度为变量，分别在7度、8度和9度罕遇地震下大跨度双向张弦梁结构的14种断索形式包括单索断裂、双索断裂和三索断裂，在5种锈蚀程度下单调地增加拉索的锈蚀程度分别为10％、15％、20％、25％和30％，重复上一步骤，共进行210次非线性地震动力时程分析对结构进行非线性增量动力时程分析。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括如下步骤：步骤3.1：提取双向张弦梁结构的节点竖向位移最大值ω
m
，即双向张弦梁结构的每一次强震位移时程曲线中的最大值。它体现了双向张弦梁结构整体竖向刚度。步骤3.2：提取双向张弦梁结构下弦邻近拉索应力最大值S
m
，即整个张弦梁结构下弦全部拉索中在每一次索力时程曲线中的最大值。由于本文研究拉索的锈蚀情况，因此最先发生变化的量为索力值，它体现双向张弦梁结构的拉索安全水平。步骤3.3：提取双向张弦梁结构上弦梁受力状态参数λ
g
，即整个张弦梁结构上弦梁在每一次强震时程分析中最大轴力和弯矩与容许轴力和容许弯矩的比值之和。反应了上弦梁的塑性发展状态。步骤3.4：提取双向张弦梁整体结构平均应变ε
b
，即结构在进行强震分析后的所有构件的平均应变。它表现了强震对结构的影响效果。步骤3.5：提取双向张弦梁结构中间撑杆应力比δ
s
，即双向张弦梁结构所有撑杆轴力时
程曲线的最大值与抗压强度的比值，虽然撑杆轴力远远没有达到屈服强度，但撑杆是双向张弦梁结构中的重要部分，当模拟拉索断裂时撑杆的内力将会重新分布。步骤3.6：提取双向张弦梁结构支座最大水平位移u
x
与u
y
，即双向张弦梁结构所有支座水平位移时程曲线最大值，在结构设计时张弦梁支座是可以发生一定的位移限值。但在强震作用下超过容许位移值时支座可能发生损伤，影响结构安全性。步骤3.7：双向张弦梁结构特征节点位移时程曲线，即双向张弦梁在每一次时程分析中最大值的节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭维，殷志祥，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：