冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法及系统，包括以下步骤：(1)对于待分析的索穹顶结构，抽样形成各种冲击工况；(2)评价各种冲击工况下所述索穹顶结构的失效模式；(3)确定所述冲击工况的失效模式转换阈值R

【技术实现步骤摘要】
冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法及系统


[0001]本专利技术属于建筑设计领域，更具体地，涉及一种冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法及系统。

技术介绍

[0002]索穹顶结构是一种基于Fuller整体张拉思想、由拉索和压杆为基本单元的柔性结构体系，由于充分利用拉索的高强性并通过调整结构预应力分布优化结构刚度，使得结构具有承载性能好、跨越能力强、构造轻盈等诸多优点，在实际工程中广泛应用。随着社会的进步和经济的发展，结构将进一步朝着跨度更超大、形式更复杂、材料更新颖的方向发展，如果遭受爆炸冲击、外物撞击等偶然事件威胁，可能会导致构件破坏及结构倒塌。
[0003]冲击荷载是一种短时超强的荷载，结构在遭受这类荷载的作用下一般难以保持原有状态，然而大幅提高结构设计标准以预防此类偶然荷载的作用亦是不经济的。因此，通过跟踪结构在冲击荷载作用下的动力响应，分析其抗冲击性能和失效机理，优化结构性能使其在冲击荷载作用下不发生连续倒塌、或不发生与荷载不相称的破坏往往更加有效实用。
[0004]冲击荷载作用下的动力响应分析包括：针对网架网壳结构采用数值模拟和模型试验方法，研究了冲击荷载作用下的冲击荷载特性、动力响应、失效机理及失效模式；圆形薄膜结构在冲击荷载作用下的动力响应；利用ANSYS/LS
‑
DYNA软件对轮辐式索桁架进行落锤冲击的数值模拟。可见，有关学者对大跨度空间结构在冲击荷载作用下的研究主要集中在网架网壳结构等刚性结构，而对索穹顶这类非线性柔性结构的缺乏相关研究及技术。r/>[0005]另外，自1968年英国Ronan Point公寓发生22层建筑物西南角自上而下的连续倒塌事故后，世界各国的学者逐渐重视建筑结构的鲁棒性。虽然学者对结构鲁棒性的定义提出了诸多不同的见解，但都体现了结构对偶然荷载或局部损伤的不敏感性，结构不会发生与其起因不相称破坏。Starossek和Haberland提出以结构在完好结构和局部构建拆除后不同状态下的刚度比来衡量结构鲁棒性。Agarwal基于结构拓扑提出了易损性理论。Biondini等以结构在损伤前后的位移比来定义结构鲁棒性。高扬、黄靓等以结构在不同状态下的承载力来评价结构的鲁棒性。Starossek等基于结构在初始损伤时释放的能量和在结构破坏时所需的能量提出了鲁棒性指标。Ellingwood基于倒塌概率来描述结构的鲁棒性。可见，目前针对结构鲁棒性的研究主要从结构性能角度出发，考虑结构初始局部损伤对结构性能的影响，很少考虑偶然荷载的作用和结构自身随机性的影响。
[0006]事实上，结构鲁棒性的本质具有随机性，索穹顶结构自身又存在诸多不确定因素。因此，开展冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性研究十分必要。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法及系统，其目的在于评价由于索穹顶结构不确定因素导致的随机结构鲁棒性，由此解决现有技术不考虑偶然荷载的作用和结构自身随机性的影响的技术
问题。
[0008]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法，包括以下步骤：
[0009](1)对于待分析的索穹顶结构，抽样形成各种冲击工况，计算各种冲击工况造成的所述索穹顶结构的整体损伤指数d，所述各种冲击工况即各种质量的冲击物以各种速度冲击所述索穹顶结构各冲击位置；所述整体损伤指数d，表征索穹顶结构受冲击前后的结构整体损伤程度大小，破坏杆件数越多、杆件内力损伤越大，整体损伤指数越大；
[0010](2)评价各种冲击工况下所述索穹顶结构的失效模式，根据步骤(1)获得的各种冲击工况下造成的所述索穹顶结构的整体损伤指数d，获取划分所述索穹顶结构的失效模式的整体损伤指数d的失效模式转换阈值R
r
；所述索穹顶结构的失效模式按照所述索穹顶结构失效程度的大小划分；
[0011](3)对于步骤(1)抽样形成的每一种冲击工况，根据其整体损伤指数d判断其失效模式，并确定所述冲击工况的失效模式转换阈值R
r
，以随机概率统计特征引入索穹顶结构自身各参数的随机值，获得索穹顶结构参数随机值模型，计算该模型在该冲击工况下的整体损伤指数d，并以该冲击工况的失效模式转换阈值R
r
与该模型在该冲击工况下的整体损伤指数d之差作为功能函数Z
r
，以判断该结构模型的是否发生与荷载不相称的失效模式，并统计所述冲击工况下由于可能的随机因素发生与荷载不相称的失效模式的概率p
f
；
[0012](4)根据步骤(3)获得的所述索穹顶结构在各种冲击工况下由于可能的随机因素发生与荷载不相称的失效模式的概率p
f
，计算所述索穹顶结构在冲击荷载作用下发生不相称破坏的概率作为基于失效概率的随机鲁棒性指标I
rob
，按照基于失效概率的随机鲁棒性指标I
rob
的值越大，冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性越差的原则，分析所述索穹顶结构在对于不同的冲击位置冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性。
[0013]优选地，所述冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法，其所述步骤(1)按照如下方法计算整体损伤指数d：
[0014][0015]其中，n
d
表示待分析的索穹顶结构受冲击后破坏的杆件数，n
s
表示待分析的索穹顶结构受冲击后未破坏杆件数，r
i
表示杆件i内力损耗系数，k表示杆件总数；所述杆件i内力损耗系数，表征杆件i受冲击前后内力变化幅度。
[0016]优选地，所述冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法，其所述杆件i内力损耗系数r
i
按照如下方法计算：
[0017][0018]其中，N
0i
、N
1i
表示结构受冲击前、稳定后第i号杆件内力，根据冲击工况下内力响应分析获取。
[0019]优选地，所述冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法，其所述步骤(2)将索穹顶结构在冲击荷载作用下的失效模式按照失效程度由小到大分为以下三类：
[0020]结构轻微损伤：当冲击物能量较小时，索穹顶结构具有足够的抗力抵抗冲击荷载，
结构最大竖向位移小于跨度的1/250，或当结构最大竖向位移大于跨度的1/250，但失效面积小于总平面面积的15％，且自平衡后的结构内力仅出现轻微损伤；
[0021]结构局部损伤：当冲击物能量适中时，索穹顶结构冲击区局部杆件破坏，最大竖向位移大于跨度的1/250，失效面积小于总平面面积的30％，自平衡后的结构内力出现较大的削弱现象；
[0022]结构整体失效：当冲击物能量较大时，索穹顶结构形态发生显著变化，最大竖向位移大于跨度的1/50，结构无法再自平衡；或最大竖向位移大于跨度的1/250，失效面积大于总平面面积的30％，且自平衡后的结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对于待分析的索穹顶结构，抽样形成各种冲击工况，计算各种冲击工况造成的所述索穹顶结构的整体损伤指数d，所述各种冲击工况即各种质量的冲击物以各种速度冲击所述索穹顶结构各冲击位置；所述整体损伤指数d，表征索穹顶结构受冲击前后的结构整体损伤程度大小，破坏杆件数越多、杆件内力损伤越大，整体损伤指数越大；(2)评价各种冲击工况下所述索穹顶结构的失效模式，根据步骤(1)获得的各种冲击工况下造成的所述索穹顶结构的整体损伤指数d，获取划分所述索穹顶结构的失效模式的整体损伤指数d的失效模式转换阈值R
r
；所述索穹顶结构的失效模式按照所述索穹顶结构失效程度的大小划分；(3)对于步骤(1)抽样形成的每一种冲击工况，根据其整体损伤指数d判断其失效模式，并确定所述冲击工况的失效模式转换阈值R
r
，以随机概率统计特征引入索穹顶结构自身各参数的随机值，获得索穹顶结构参数随机值模型，计算该模型在该冲击工况下的整体损伤指数d，并以该冲击工况的失效模式转换阈值R
r
与该模型在该冲击工况下的整体损伤指数d之差作为功能函数Z
r
，以判断该结构模型的是否发生与荷载不相称的失效模式，并统计所述冲击工况下由于可能的随机因素发生与荷载不相称的失效模式的概率p
f
；(4)根据步骤(3)获得的所述索穹顶结构在各种冲击工况下由于可能的随机因素发生与荷载不相称的失效模式的概率p
f
，计算所述索穹顶结构在冲击荷载作用下发生不相称破坏的概率作为基于失效概率的随机鲁棒性指标I
rob
，按照基于失效概率的随机鲁棒性指标I
rob
的值越大，冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性越差的原则，分析所述索穹顶结构在对于不同的冲击位置冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性。2.如权利要求1所述的冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法，其特征在于，所述步骤(1)按照如下方法计算整体损伤指数d：其中，n
d
表示待分析的索穹顶结构受冲击后破坏的杆件数，n
s
表示待分析的索穹顶结构受冲击后未破坏杆件数，r
i
表示杆件i内力损耗系数，k表示杆件总数；所述杆件i内力损耗系数r
i
，表征杆件i受冲击前后内力变化幅度。3.如权利要求2所述的冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法，其特征在于，所述杆件i内力损耗系数r
i
按照如下方法计算：其中，N
0i
、N
1i
表示结构受冲击前、稳定后第i号杆件内力，根据冲击工况下内力响应分析获取。4.如权利要求1所述的冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法，其特征在于，所述步骤(2)将索穹顶结构在冲击荷载作用下的失效模式按照失效程度由小到大分为以下三类：结构轻微损伤：当冲击物能量较小时，索穹顶结构具有足够的抗力抵抗冲击荷载，结构
最大竖向位移小于跨度的1/250，或当结构最大竖向位移大于跨度的1/250，但失效面积小于总平面面积的15％，且自平衡后的结构内力仅出现轻微损伤；结构局部损伤：当冲击物能量适中时，索穹顶结构冲击区局部杆件破坏，最大竖向位移大于跨度的1/250，失效面积小于总平面面积的30％，自平衡后的结构内力出现较大的削弱现象；结构整体失效：当冲击物能量较大时，索穹顶结构形态发生显著变化，最大竖向位移大于跨度的1/50，结构无法再自平衡；或最大竖向位移大于跨度的1/250，失效面积大于总平面面积的30％，且自平衡后的结构内力出现极大的削弱现象。5.如权利要求1所述的冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析方法，其特征在于，步骤(3)所述判断该结构模型的是否发生与荷载不相称的失效模式具体为：当功能函数Z
r
>0时，判断所述索穹顶结构不发生与荷载不相称的失效模式，当功能函数Z
r
≤0时，判断所述索穹顶结构发生与荷载不相称的失效模式；所述索穹顶结构的功能函数Z
r
，记作：Z
r
＝R
r
―S
r
(X)其中，R
r
为划分所述索穹顶初始结构的失效模式与失效程度更大的失效模式之间的失效模式转换阈值R
r
，S
r
(X)为所述索穹顶结构参数随机值模型在所述冲击工况作用下的整体损伤指数d；所述基于失效概率的随机鲁棒性指标I
rob
，按照如下方法计算：其中，n
j
表示可能会发生不相称破坏的冲击工况数，即由于可能的随机因素发生与荷载不相称的失效模式的概率大于零的冲击工况数，n
m
表示抽样形成的各种冲击工况中对所述索穹顶结构造成轻微损伤和局部损伤的冲击工况数量总和；p
fj
表示冲击工况j下所述索穹顶结构由于可能的随机因素发生与荷载不相称的失效模式的概率。6.一种冲击荷载作用下索穹顶结构的随机鲁棒性分析系统，其特征在于，包括以下模块：工况抽样模块、整体损伤指数计算模块、失效模式评价模块、失效转换阈值划分模块、随机参数引入模块、以及统计模块；所述整体损伤指数计算模块，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈联盟，黄奔程，王秋霞，曾一洪，刘毅杰，李泽斌，黄开宇，颜孙凯，李桅，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：