组渠立标PPT课件

20156/19,基于能量方法的结构连续倒塌定量分析,中国石油大学（华东）毕业设计答辩汇报,姓名：渠立标学号：1106417指导老师：林红,基于能量方法的结构连续倒塌定量分析,UPC,.钢制,研究背景,常规的结构设计只能保证结构在正常使用状态下的安全性，其力学计算是针对完整结构结构进行的，如抗风设计、抗震设计等，但是，在结构的漫长使用寿命中，可能会遭遇各种各样的突发事件，进而导致结构局部构件的失效，如果剩余体系不能承担由于初始破坏带来的不平衡重力荷载，剩余结构就会继续破坏，进而引发整个结构的连续倒塌。造成大范围连续的破坏，即为连续性倒塌。,.钢制,本文主要研究内容,构件倒塌抗力分析与能量公式推导结构倒塌抗力分析与能量公式推导结构抗倒塌能力的定量评价对抗倒塌设计的建议,.钢制,构件问题的抗力分析与耗能公式,.钢制,构件倒塌问题理论模型,UW：,结构未倒塌,UW:,结构倒塌,U=W：,倒塌或变形终止,.钢制,构件倒塌抗力分析及耗能公式,根据前人的研究，构件在抗倒塌过程中存在两种机制，即梁机制和悬链线机制。,根据单自由度的能量平衡方程，推导梁机制阶段抗力函数和耗能公式。,.钢制,梁机制抗力函数推导,对与受集中荷载和均布荷载两端固定梁：,且有：,将上式联立得构件抗力函数：,查静力计算手册：,.钢制,梁机制时做功和耗能公式推导,对于均布荷载：,对集中荷载：,.钢制,悬链线机制抗力函数推导,当构件进入悬链线机制阶段时，已经发生较大变形，根据荷载情况和支座情况不同，可分为曲线悬链线机制和，线悬链线机制，如下图所示：,直线受拉机制分析：,由水平分力平衡：,.钢制,悬链线机制抗力函数推导,由水平分力平衡：,梁在受拉屈服之前：,带入抗力函数：,.钢制,直线悬链线机制耗能公式推导,令L1=L2：,位移为高阶小量，由泰勒公式：,整理得：,.钢制,曲线悬链线机制抗力函数的推导,曲线模式下取半结构，并对左边铰取矩：,由R=G：,设挠曲线方程为：,.钢制,曲线悬链线机制抗力函数的推导,代入边界条件：,由悬链线弧长公式：,求解定积分：,求解弧长：,.钢制,曲线悬链线机制抗力公式的推导,由胡克定律：,且有已知条件：,联立求得F1：,得到抗力函数：,.钢制,曲线悬链线机制耗能公式的推导,外力做功公式如下：,将a代入整理：,积分得到耗能：,.钢制,构件极限荷载的手算分析,对均布荷载：,对集中荷载：,将杆件参数带入，转化量纲得：,Qu=59033.3N/m,P=177100N,.钢制,构件倒塌模式的数值验证,后处理得到构件荷载位移图和轴力弯矩图：,可看出杆件变形分为弹性阶段和塑性阶段（非线性），前5个点跨中位移与加载成正比，对应倒塌阶段的梁机制。塑性阶段所加同样荷载，产生较大位移，呈现非线性特点，对应悬链线机制。,.钢制,构件倒塌模式的数值验证,弯矩-轴力图验证了悬链线机制的存在性：,进入悬链线机制后，弯矩不增加，轴力（由Fy代替，横向力较小忽略不计）急剧增加，说明悬链线机制抗力由轴力提供。理论上的构件倒塌机制模式即梁机制和悬链线机制是合理的。对构件而言手算ANSYS验证结果相差很小。,.钢制,平面问题的抗力分析与耗能公式,.钢制,支座刚度对悬链线机制的影响,对于均布荷载下的直线受拉机制：,整理得：,同理得曲线机制情况：,.钢制,支座刚度对悬链线机制的影响,取系数：,即相同荷载的情况下，直线受拉机制的轴力比曲线受拉机制要大的多。一些文献也近似的将这个比值取为2,.钢制,平面结构的抗倒塌机制分析,（1）取一三层18次静不定平面框架作为算例，施加荷载后突然拆除预定构件；（2）在不平衡荷载作用下，假设塑性铰同时出现，求出剩余承载结构的塑性极限荷载qu；这一过程可以将手算与电算结果比较。（3）通过ANSYS分析计算，比较非线性静力位移需求和非线性动力位移需求的比值，确定动力修正系数。（4）用修正后的公式计算不平衡荷载的总势能和结构的总耗能。,平面问题的研究思路如下：,.钢制,平面结构的抗倒塌机制分析,取结构参数：横梁取工字钢，参数同构件问题，柱用,0.2150.21矩形钢,则有：,刚度之比为1.0064，故在手算的塑性分析中可以近似为等刚度。且易知,；,。,.钢制,极限荷载的手算,对拆除中柱构件：,对拆除边柱的构件：,手算结果：,.钢制,拆除构件法确定动力系数,ANSYS拆除构件法过程如下图所示：,.钢制,拆除构件法验算极限荷载,（1）完整结构在正常情况下均在弹性阶段工作，故荷载值在1000-30000N/m在拆除构件之后，结构承载能力下降了7倍左右（2）两种拆除构件的塑性极限荷载大致相同，这与手算分析相一致。但是极限荷载的大小误差铰大。误差为：,解决误差方法：引入塑性铰折减系数,.钢制,拆除构件法确定动力系数,首先利用ANSYS确定单元支座反力：,加载的力:,.钢制,拆除构件法确定动力系数,拆除边柱后动力位移响应（取2000N和5000N为例）：,.钢制,拆除构件法确定动力系数,拆除中柱下的动力位移响应（取2000N和5000N为例）：,.钢制,确定动力系数,根据计算结果，确定动力系数：,拆除中柱计算结果如下表所示：,.钢制,确定动力系数,同理得到拆除边柱情况下的动力系数表格：,将位移作图：,两种拆除构件形式下的极限荷载相同，这与理论分析吻合。但是，拆除中柱的的剩余结构有更好的承载能力：在给定目标位移下（破坏位移相同的情况下）中柱拆除剩余结构的剩余极限荷载比边柱拆除情况下大1000N/m左右。,.钢制,平面问题结论补充,这也说明，对于拆除中柱的剩余构件能更好的承受不平衡重力荷载，即传力路径更合理。拆除边柱结构抗力丧失最多。这从手算的机构图中也可以看出，拆除中柱时，所有的梁都参与了耗能，梁机制能提供更多抗力；由上一节的能量平衡原理，不管是否考虑动力效应，结构的耗能能力都是一定的。考虑动力效应后，可以看出两种剩余结构的抗倒塌能力都有明显的下降。可见，在实际情况下，结构的耗能能力还会减小。考虑动力效应后，修正动力系数在1.5-2之间，规范中使用拆除构件法时对动力系数得取值为2，是一个比较合理的取值。,.钢制,考虑三项修正系数的结构耗能公式,将修正系数带入，得到平面结构总的抗力函数和耗能公式：,梁机制阶段总的耗能公式（不考虑动力系数）：,结构中构件进入悬链线机制后，刚度影响系数修正如下：,.钢制,考虑三项修正系数的结构耗能公式,考虑各项修正后，结构总的耗能公式为：,.钢制,结构抗倒塌能力的定量评价,.钢制,结构抗倒塌能力的定量评价,为了定量评价结构的抗倒塌能力，人们提出了很多抗倒塌设计指标，如鲁棒性、结构可靠度、倒塌率等。这里提出构件重要性系数来定量评价构件在结构倒塌抗力中贡献：,定义构件重要性系数：,结构重要性系数得系数的提出是根据结构中每根构件耗能能力推出的：首先，根据上一章分析，每一根构件不管处于什么阶段其耗能可求；其次，耗能越大的构件，说明它提供了越多的倒塌抗力，若拆除这根构件，U更容易比W小，结构更容易倒塌。,.钢制,算例1,取一两跨三层框架作为算例，取Q=4000N/m为例，此时所有梁均处于梁机制，而所有柱均处于梁机制。结构内力图如下所示：,由结构的对成性：,且有：,.钢制,算例1,由以上算的结构重要性系数排序：,.钢制,利用构件重要性系数对桁架结构的优化,构件重要性系数在评价算例1时有一定的局限性，但是它可以很好的应用于对桁架结构抗倒塌能力的评价。利用结构重要性系数的概念来研究不同传力路径对结构承载能力和拆除构件后抗倒塌能力的影响。可以偏于保守的把框架结构简化为桁架，这是一个几何可变体系，下面开始添加不同形式的斜支撑，讨论不同传力路径对结构抗承载能力和抗倒塌能力的影响：,基本桁架（未加支撑机构）,.钢制,利用构件重要性系数对桁架结构的优化,支撑形式A,支撑形式B,对基本桁架加如下两种斜支撑形式：,.钢制,利用构件重要性系数对桁架结构的优化,利用结构力学求解器编程画出两种结构的轴力图，用EXCEL软件进行函数运算算出每一根构件的耗能和构件的重要性系数：,.钢制,利用构件重要性系数对桁架结构的优化,对桁架A：,对桁架B：,.钢制,拆除构件后的剩余结构,.钢制,利用构件重要性系数对桁架结构的优化,（1）传力路径越直接，零杆就越多，一些重要构件的重要性系数就越集中并且较大；最短传力路径往往意味着结构的刚度较大，同时结构重要性大的构件就越集中在连续的几根构件；（2）桁架B的结构形式在承载力方面要远远强于桁架A，可见传力路径越直接，结构的刚度越大，承载能力就越强。（3）结构的承载力和抗倒塌能力并不具有一致性。重要的构件越集中，结构重要性系数就越大，破坏后造成的后果就越严重；,.钢制,利用构件重要性系数对桁架结构的优化,为了进一步分析斜支撑布置形式，即传力路径与承载能力和抗倒塌能力的关系，取如下算例2，有一下四中斜支撑布置形式：,桁架a有5根零杆，这是一般结构的部分布置形式；桁架b中，上部的横向力通过斜向杆和竖向杆传到地面，未经过第二层横向杆，传力路径变短，结构刚度增大,.钢制,利用构件重要性系数对桁架结构的优化,（1）桁架c的布置中，原来在桁架b内力最大的竖向杆变为零杆，此时，其传力路径优于b桁架，零杆比b桁架又多了两个。（2）而d桁架所有的竖向杆件均为零杆，零杆最多，传力路径最短。是承载能力最大的一种结构形式，其构件重要性系数最大值也最大，不利于满足抗倒塌设计要求,.钢制,利用构件重要性系数对桁架结构的优化,综上，满足结构承载力要求和拆除构件后抗倒塌设计要求的优化结构如下所示：,设计步骤：先按承载力要求设计斜支撑，再按抗倒塌设计要求增加冗余构件！,.钢制,研究结论与设计建议,.钢制,研究总结,（1）本文首先研究了构件问题的抗力函数和倒塌机制，推导了构件受集中力和均布力时的抗力函数，用积分解出了构件的在外载作用下的耗能与做功公式；然后用ANSYS验证了两种抗倒塌机制的存在性，手算验证了公式的正确性。（2）在平面结构中，本文通过塑性铰折减系数、刚度修正系数、动力修正系数来得到整体结构总的抗力函数和做功公式。（3）提出了构件重要性系数这一评价指标，定量分析了结构边柱和中柱在结构中的抗力贡献。（4）最后，利用该系数对不同斜支撑形式进行的桁架进行评价，优化桁架的支撑设计：既满足刚度最大的要求，又满足抗倒塌设计要求。,.钢制,设计建议,现在对分析结果对钢结构的设计提出一些抗连续倒塌设计建议：,（1）对结构进行系统分析，不出现明显的耗能非常大的构件，否则一旦这种构件破坏，结构更容易倒塌。（2）对与无法避免的耗能较大的构件，应设置备用传力路径，增加结构的静不定次数。（3）结构还应具备抵抗