多自由度弯剪耦合非线性分析模型的建立方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种多自由度弯剪耦合非线性分析模型的建立方法及其应用，统计和分析采集的建筑信息；用质量与转动惯量矩阵对建筑的层质量和层转动惯量进行标定；建筑结构类型不同，建筑每层的弯曲刚度和剪切刚度所占比重不同；根据处理后建筑信息，用整体阻尼矩阵标定建筑整体阻尼；用整体弹性刚度矩阵标定建筑整体弹性刚度；控制整体弹性刚度矩阵中剪切刚度矩阵和弯曲刚度矩阵的权重；以质量与转动惯量矩阵、整体阻尼矩阵以及整体弹性刚度矩阵为组件，建立多自由度弯剪耦合模型，用于快速分析建筑抗震性能及城市或乡村震害模拟。建立的非线性分析模型能快速反应不同结构形式建筑不同震害特征及抗震性能，可得到每个建筑每个楼层的震害状况。层的震害状况。层的震害状况。

【技术实现步骤摘要】
多自由度弯剪耦合非线性分析模型的建立方法及其应用


[0001]本专利技术属于土木工程
，涉及一种多自由度弯剪耦合非线性分析模型的建立方法；本专利技术还涉及一种用该方法建立的多自由度弯剪耦合模型在模拟城市群建筑地震时程响应中的应用。

技术介绍

[0002]目前常用的多自由度非线性分析简化模型有多自由度集中质量剪切层模型和陆新征提出的弯曲剪切协调模型。剪切层模型主要用于模拟高宽比较小的多层建筑结构，通常表现出较为明显的剪切变形模式。剪切层模型假设结构每一层的质量都集中在楼面上，认为楼板为刚性且忽略楼板的转动位移，将每一层简化成一个质点，不同楼层之间的质点通过剪切弹簧链接在一起。弯曲剪切协调模型主要用于城市中的高层建筑，如高层钢筋混凝土框架
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剪力墙结构、框架
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核心筒结构。弯曲剪切协调模型将建筑的每一层离散为一根非线性弯曲弹簧和一根非线性剪切弹簧，每层的弯曲弹簧和剪切弹簧都用刚性链杆连接。相对于剪切层模型，弯曲剪切协调模型主要用于表现高层建筑的弯曲变形，而不能用于快速分析建筑抗震性能、城市或乡村的震害模拟以及城市前期规划。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种用于快速分析建筑抗震性能的多自由度弯剪耦合模型的建立方法。
[0004]本专利技术的另一个目的是提供一种上述方法建立的多自由度弯剪耦合模型的应用。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种多自由度弯剪耦合模型建立方法，具体按以下步骤进行：1）采集建筑群中建筑的基本建筑信息，用概率统计方法对基本建筑信息进行处理，得出用于计算的建筑信息；2）根据用于计算的建筑信息，用质量与转动惯量矩阵对建筑的层质量和层转动惯量进行标定，将建筑每一层简化为一个二维平板，上下相邻两个平板的两侧通过剪切弹簧相连，上下相邻两个平板的中心通过弯曲弹簧相连，得计算模型；剪切弹簧控制物理模型的平动变形特征，弯曲弹簧控制物理模型的弯曲变形特征；计算模型在弯曲弹簧和剪切弹簧的相互作用下可根据其弯曲刚度和剪切刚度相对大小来表现实际的变形特征和抗震性能；建筑按层划分，每个建筑楼层根据建筑楼层结构特点有相应的弯曲刚度和剪切刚度；根据建筑结构类型的不同，建筑每层的弯曲刚度和剪切刚度所占比重不同；将每层的建筑质量集中于楼板，由两个非线性剪切弹簧代替每层相应的剪切刚度，由一个非线性弯曲弹簧代替每层相应的弯曲刚度；根据用于计算的建筑信息，用整体阻尼矩阵标定建筑的整体阻尼；整体阻尼矩阵包括与平动位移相关的阻尼矩阵、与节点转动相关的阻尼矩阵以及与转角平动相关联的阻尼矩阵；
根据用于计算的建筑信息，用整体弹性刚度矩阵标定建筑的整体弹性刚度；整体弹性刚度矩阵包括与平动相关的剪切刚度矩阵、与转角相关的弯曲刚度矩阵以及与转角平动相关联的弯剪耦合刚度矩阵；并通过用于计算的建筑信息确定建筑每层相应的剪切刚度矩阵系数α与弯曲刚度矩阵系数β，由α与β来控制剪切刚度矩阵和弯曲刚度矩阵在整体弹性刚度矩阵中所占的权重；3）以质量与转动惯量矩阵、整体阻尼矩阵以及整体弹性刚度矩阵为组件，建立多自由度弯剪耦合模型的动力学方程：式（8）中，α是刚度矩阵中剪切刚度调幅系数；β是刚度矩阵弯曲刚度调幅系数；为加速度，单位m/s2；为角加速度，单位rad/s2；为速度，单位m/s；为角速度，单位rad/s；u为位移，单位m；θ为转角，单位rad；为地震加速度，单位gal。
[0006]本专利技术所采用的另一个技术方案是：一种用上述方法建立的多自由度弯剪耦合模型在快速分析建筑抗震性能、城市震害模拟和乡村震害模拟中的应用。
[0007]本专利技术建立方法建立的多自由度弯剪耦合模型能够根据区域建筑群内建筑的结构形式和相关建筑特点对该建筑群进行快速简化建模，并对所建立的弯剪耦合模型进行动力非线性时程分析，以反映建筑的层间位移、层间位移角和层间转角。相较于现有技术中的多自由集中质量剪切层模型和弯曲剪切协调模型，本专利技术多自由度弯剪耦合模型根据建筑结构的特点通过调整建筑的剪切刚度与弯曲刚度的权重来分析包括以剪切变形为主的高宽比较小的多层建筑结构以及弯曲与剪切变形耦合的框架剪力墙和框架核心筒结构。多自由度弯剪耦合模型可以用于快速分析建筑抗震性能、城市或乡村的震害模拟以及城市前期规划。
[0008]本专利技术建立方法建立的多自由度弯剪耦合模型及其动力非线性分析数学表达式参数标定方法。可以根据不同建筑结构体系在地震作用下位移反应或变形的模式不同，通过调整、标定、预测相应的弯曲刚度及剪切刚度所占结构总体刚度的权重，来表现建筑结构体系在地震作用下的受力和变形特征。该多自由度弯剪耦合模型能够快速反应不同结构形式的建筑的不同震害特征以及抗震性能，并且可以根据其动力非线性分析计算结果得到每个建筑每个楼层的震害状况。由于该多自由度弯剪耦合模型计算量小，可适用于城市规模建筑震害模拟。
附图说明
[0009]图1 是本专利技术建立方法的整体流程图。
[0010]图2 弯曲弹簧双线性骨架线及参数标定流程图。
[0011]图3 剪切弹簧双线性骨架线及参数标定流程图。
[0012]图4弯剪耦合模型示意图。
[0013]图5 是本专利技术实施例的输入地震时程曲线图。
[0014]图6 是本专利技术实施例的高层建筑层间位移曲线图。
[0015]图7 是本专利技术实施例的高层建筑层间位移角曲线图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0017]城市建筑群震害分析方法有易损性矩阵方法和城市建筑群地震反应非线性历程分析方法及装置（陆新征团队）。易损性矩阵法仅适用于震害资料丰富的地区，我国大部分地区缺乏详尽的地震以及震害信息，故，易损性矩阵法不符合我国大部分地区城市特征；城市建筑群地震反应非线性历程分析方法对城市群建筑震害模拟需要输入的建筑信息数据量极大，建筑结构类型也很广泛，能很好的模拟城市群震害。但是对建筑群的数据采集量极大，对计算机配置要求极高。为了克服现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种流程如图1的多自由度弯剪耦合模型的建立方法，采集建筑的结构类型、楼层使用面积、地理位置信息和建筑楼层高度等基本建筑信息用于建立多自由度弯剪耦合非线性分析计算模型。通过分析建筑的结构类型，楼层高度以及楼层使用面积等来确定计算模型所需要的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。该建立方法按以下步骤进行：1）采集建筑群中建筑的基本建筑信息（结构类型、楼层使用面积、地理位置信息、建筑服役年限和建筑楼层高度）；采用概率统计方法对基本建筑信息进行处理，得出用于计算的建筑信息；2）根据用于计算的建筑信息，用质量与转动惯量矩阵对建筑的层质量和层转动惯量进行标定，即按建筑的实际自然层划分建筑，假设计算模型每一层的质量都集中在楼面上，则楼板为刚性并且计入楼板的整体转动；因此将每一层简化为一个二维平板，上下相邻两个二维平板的两侧通过剪切弹簧相连，上下相邻两个二维平板的中心通过弯曲弹簧相连，见图4；剪切弹簧控制计算模型的平动变形特征，弯曲弹簧控制计算模型的弯曲变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多自由度弯剪耦合非线性分析模型的建立方法，其特征在于，建立方法具体按以下步骤进行：1）采集建筑群中建筑的基本建筑信息，用概率统计方法对基本建筑信息进行处理，得出用于计算的建筑信息；2）根据用于计算的建筑信息，用质量与转动惯量矩阵对建筑的层质量和层转动惯量进行标定，将建筑每一层简化为一个二维平板，上下相邻两个平板的两侧通过剪切弹簧相连，上下相邻两个平板的中心通过弯曲弹簧相连，得计算模型；剪切弹簧控制物理模型的平动变形特征，弯曲弹簧控制物理模型的弯曲变形特征；计算模型在弯曲弹簧和剪切弹簧的相互作用下可根据其弯曲刚度和剪切刚度相对大小来表现实际的变形特征和抗震性能；建筑按层划分，每个建筑楼层根据建筑楼层结构特点有相应的弯曲刚度和剪切刚度；根据建筑结构类型的不同，建筑每层的弯曲刚度和剪切刚度所占比重不同；将每层的建筑质量集中于楼板，由两个非线性剪切弹簧代替每层相应的剪切刚度，由一个非线性弯曲弹簧代替每层相应的弯曲刚度；根据用于计算的建筑信息，用整体阻尼矩阵标定建筑的整体阻尼；整体阻尼矩阵包括与平动位移相关的阻尼矩阵、与节点转动相关的阻尼矩阵以及与转角平动相关联的阻尼矩阵；根据用于计算的建筑信息，用整体弹性刚度矩阵标定建筑的整体弹性刚度；整体弹性刚度矩阵包括与平动相关的剪切刚度矩阵、与转角相关的弯曲刚度矩阵以及与转角平动相关联的弯剪耦合刚度矩阵；并通过用于计算的建筑信息确定建筑每层相应的剪切刚度矩阵系数α与弯曲刚度矩阵系数β，由α与β来控制剪切刚度矩阵和弯曲刚度矩阵在整体弹性刚度矩阵中所占的权重；3）以质量与转动惯量矩阵、整体阻尼矩阵以及整体弹性刚度矩阵为组件，建立多自由度弯剪耦合模型的动力学方程：式（8）中，α是刚度矩阵中剪切刚度调幅系数；β是刚度矩阵弯曲刚度调幅系数；为加速度，单位m/s2；为角加速度，单位rad/s2；为速度，单位m/s；为角速度，单位rad/s；为位移，单位m；为转角，单位rad；为地震加速度，单位gal。2.如权利要求1所述的多自由度弯剪耦合非线性分析模型的建立方法，其特征在于，所述步骤1）中，基本建筑信息包括结构类型、楼层使用面积和建筑楼层高度。3.如权利要求1所述的多自由度弯剪耦合非线性分析模型的建立方法，其特征在于，所述步骤2）中，用质量与转动惯量矩阵对建筑的层质量和层转动惯量进行标定：根据实际建筑的信息建立相应的多自由度弯剪耦合计算模型，按建筑的实际自然层划分建筑，假设计算模型每一层的质量都集中在楼面上，则楼板为刚性并且计入楼板的整体转动。4.如权利要求1所述的多自由度弯剪耦合非线性分析模型的建立方法，其特征在于，弯曲弹簧的骨架线为双线性骨架线，弯曲弹簧本构状态由层间弯矩和层间位移角确定，层间往复受力关系采用单参数受力模型；
剪切弹簧的骨架线为双线性骨架线，剪切弹簧本构状态由层间剪力和层间位移确定，层间往复受力关系为单参数受力模型。5.如权利要求1或4所述的多自由度弯剪耦合非线性分析模型的建立方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：李中辉，芮佳，王春好，闫相，刘利明，
申请(专利权)人：甘肃省城乡规划设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：