CN106013916B - 煤矿采动损伤建筑抗震性能评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的煤矿采动损伤建筑抗震性能评价方法，首先获取建筑物发生损伤时的塑性变形；再获取塑性变形过程的能量耗散：Etotal＝Emine+Eeq；其中Emine为煤矿采动影响下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散，Eeq为地震作用下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散；根据建筑物发生损伤时的塑性变形与建筑物发生塑性变形时的能量耗散，建立建筑物抗震性能劣化的评价因子，根据评价因子对建筑物的损伤进行评价。本发明基于弹塑性变形、耗散结构和能量演化理论的煤矿采动损伤建筑的抗震性能评价计算方法可以更好的反映建筑物的煤矿采动损伤、地震损伤以及二者联合作用下煤矿采空区地面建筑物的损伤。
Description
技术领域
本发明涉及建筑物抗震性能技术领域，尤其涉及一种煤矿采动损伤建筑的抗震性能评价方法。
背景技术
目前中国矿区由于高强度、大面积的持续开采，导致煤矿采空区建筑物安全问题越发突出，采煤沉陷区建筑物损伤破坏现象日益严重。加之中国有80％的矿区处于抗震设防区，所以采煤沉陷区的建筑物不仅需要承受采煤沉陷的危害，同时也面临着地震灾害的威胁；因此研究采煤沉陷区建筑物的抗震性能是矿区工程建设迫切需要的问题。
但是目前从矿区现场的实际调查和观测的结果来看，地下煤炭资源的开采对地表建筑物的损害与破坏并非与现有的理论成果相一致，甚至与一些理论成果的出入和差异还比较大。煤矿采动应力会导致建筑物产生一定的损伤破坏(次生损伤)，该量级的次生损伤在强地震场作用下会逐渐累积、演化，对煤矿采动区的建筑物的整体稳定性和安全性构成极大的威胁。然而，由于地面建筑物的设计方法均是单独考虑建筑的抗震或抗变形，而煤矿采动区建筑物在受到地下煤炭开采扰动的条件下是否经得起地震影响，其破坏形式如何尚无从得知。
煤矿环境的复杂性、恶劣性，对建筑物的安全性、耐久性等产生了严重威胁,会严重降低和破坏建筑物的抗震性能，目前对于煤矿采动建筑物抗震性能的研究相对较少，尚未形成系统化的理论体系；故煤矿采空区地面建筑物的地震安全性是一个亟待解决的工程问题和科学问题。
虽然煤矿采动损害影响下建筑物保护理论取得了丰硕的研究成果，但是，对于煤矿采动损伤建筑抗震性能的研究主要存在以下不足之处：
(1)注重一般自然环境的研究，对于煤矿地面复杂工业环境(煤矿沉陷区)缺乏定量认识；
(2)注重常规工业与民用建筑损伤劣化研究，对于煤矿地面建筑物严重损伤劣化程度缺乏定量认识；
(3)注重单一因素或少量因素作用的研究，对于地震作用下煤矿采动建筑的损伤劣化物理模拟试验和机理研究缺少系统性；
(4)既有钢筋混凝土结构的可靠性评价注重一般自然环境，不能体现煤矿地面复杂环境(煤矿沉陷区)的特殊性(煤矿采动致灾、煤矿采动与地震联合致灾)。
(5)煤矿采动与地震属于不同的灾害荷载，二者对建筑物的损伤破坏机制有本质的不同：煤矿采动引起的地表移动变形是长期缓慢的发展过程，由此对建筑物所造成的损伤破坏也是长期的；而地震的发生是短期瞬间发生剧烈的地面运动，其对建筑物的损伤破坏是短时间的。二者对于建筑物的成灾机理不同，现有的理论研究及相关技术无法确定煤矿采动与地震对建筑损伤破坏的比较合理的评价及衡量办法，不能较好的反映出煤矿采动损害与地震双重作用对地面建筑物的致灾力学机制。
发明内容
基于上述现有技术中存在的缺点与不足之处，本发明的目的在于提供一种基于弹塑性变形、耗散结构和能量演化理论的煤矿采动损伤建筑的抗震性能评价计算方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的煤矿采动损伤建筑抗震性能评价方法，包括
获取建筑物发生损伤时的塑性变形，所述损伤为在煤矿采动作用下或地震作用下或煤矿采动和地震联合作用下形成；
获取塑性变形过程的能量耗散：Etotal＝Emine+Eeq；其中Emine为煤矿采动影响下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散，Eeq为地震作用下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散；当Emine为零时，Etotal为地震作用下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散，当Eeq为零时，Etotal为煤矿采动作用下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散；
根据建筑物发生损伤时的塑性变形与建筑物发生塑性变形时的能量耗散，建立建筑物抗震性能劣化的评价因子，根据评价因子对建筑物的损伤进行评价。
进一步地，所述建筑物发生损伤时的塑性变形为：
其中，θ为建筑结构的顶点位移所对应的转角，°；θy为建筑结构进入屈服阶段产生的屈服位移所对应的转角，°；θu为建筑结构进入极限破坏阶段产生的极限位移所对应的转角，°；β为建筑结构的耗能因子。
更进一步，单自由度体系的塑性变形过程的能量耗散：
多自由度体系的塑性变形过程的能量耗散：
其中，m为单自由度体系集中质量，kg；c为单自由度体系的阻尼系数；x(t)为单自由度体系集中质量的位移反应，m；f(t)为恢复力，KN，为单自由度体系的圆频率，rad/s；ζ为阻尼比；k(t)为单自由度体系的刚度，KN/m。
作为进一步优化，所述采煤沉陷区建筑物抗震性能劣化的评价因子为基于Park-Ang双参数模型获取的损伤指数：
当Emine为零时，DI为地震作用下建筑物抗震性能劣化的评价因子，当Eeq为零时，DI为煤矿采动作用下建筑物抗震性能劣化的评价因子；当Emine和Eeq均不为零时，DI为煤矿采动影响下的建筑物在地震作用下抗震性能劣化的评价因子；
其中，My为建筑结构进入屈服阶段所承受的屈服弯矩，与θy相对应，N·m；Emine为煤矿采动影响下建筑物的能量耗散，J；Eearth为地震作用下建筑物的能量耗散，J。
单自由度体系下，所述煤矿采动损伤建筑抗震性能的损伤指数为：
其中，K为单自由度体系的整体刚度，KN/m。
多自由度体系下，所述煤矿采动损伤建筑抗震性能的损伤指数为：
其中，Ψ为建筑结构第n阶模态的振型参与系数。
在不考虑建筑结构的平动、扭转耦连效应，以及建筑结构振型间相互影响的前提下，基于结构动力学的SRSS振型组合方法(平方和开平方)得到建筑结构的损伤指数为：
DIi为建筑结构第i阶振型所对应的损伤指数。
采用上述技术方案的本发明，具有以下优点：基于弹塑性变形、耗散结构和能量演化理论的煤矿采动损伤建筑的抗震性能评价计算方法可以更好的反映建筑物的煤矿采动损伤、地震损伤以及二者联合作用下煤矿采空区地面建筑物的损伤，因为它不仅反映了煤矿采动荷载、地震荷载以及二者的联合作用下的煤矿采空区地面建筑物所发生的塑性变形，同时也可以更加全面的反映煤矿采动荷载、地震荷载以及二者的联合作用下建筑物结构能量耗散引起刚度劣化、强度降低现象，弥补该领域对煤矿采动损伤建筑抗震性能研究的不足。
附图说明
图1为煤矿采动损伤建筑抗震性能评价方法推导建立的学术思路。
图2为煤矿采动损伤建筑抗震性能评价方法推导建立的技术路线。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好的理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
煤矿采动与地震属于不同的灾害荷载，二者对建筑物的损伤破坏机制有本质的不同：煤矿采动引起的地表移动变形是长期缓慢的发展过程，由此对建筑物所造成的损伤破坏也是长期的；而地震的发生是短期瞬间发生剧烈的地面运动，其对建筑物的损伤破坏是短时间的。虽然二者对于建筑物的成灾机理不同，但是无论在何种灾害荷载建筑物发生损伤破坏时均发生变形(一般均为塑性变形)，并且都不可避免与外界环境发生能量交换。
外力灾害荷载作用下建筑物的损伤演化实际上就是灾害能量对建筑物的输入，之后引起建筑物的能量转化以及耗散演化的过程；灾害能量的输入、建筑物对能量的转化以及耗散就是灾害荷载作用下建筑物损伤演化灾变的本质特征；当建筑物进入弹塑性变化阶段时，建筑物的弹塑性最本质和最直接的指标就是能量耗散；因此引入能量耗散来衡量建筑物的损伤累计演化具有重要的意义。综上可知：能量耗散演化和建筑物的损伤累计是建筑物失稳的初始条件，能量耗散和建筑物的破坏是建筑物失稳的发展条件，以能量耗散来衡量建筑物的弹塑性变形、损伤破坏及失稳具有重要的意义。所以基于弹塑性变形和能量耗散可以建立建筑物煤矿采动损伤与地震损伤相联系的桥梁，对于分析煤矿采动损害与地震灾害对建筑物的破坏作用具有重要的意义。
耗散结构理论主要是指研究的结构系统为一个开放的系统，同时与外界环境发生着能量和物质的交换，在外界扰动的影响下如果扰动影响超过系统的特定阈值，则系统会产生自组织现象(即从稳定状态演化为不稳定状态)，并通过涨落与外界环境发生能量交换，系统最终会在远离原有平衡状态而形成新的稳定点宏观有序结构系统；从耗散结构理论可以清楚的看出：地震作用下煤矿采动损伤建筑物的动力灾变过程符合其基本定义以及所描述的能量耗散演化过程。
本发明中，采用基于弹塑性变形、耗散结构和能量演化理论对煤矿采动损伤建筑的抗震性能进行评价。本发明的评价方法大体可以包括以下几个步骤：
首先获取建筑物发生损伤时的塑性变形，所述的损伤为在煤矿采动作用下或地震作用下或煤矿采动和地震联合作用下形成；
然后获取塑性变形过程的能量耗散：Etotal＝Emine+Eeq；其中Emine为煤矿采动影响下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散，Eeq为地震作用下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散；
最后根据建筑物发生损伤时的塑性变形与建筑物发生塑性变形时的能量耗散，建立建筑物抗震性能劣化的评价因子，根据评价因子对建筑物的损伤进行评价。
而目前关于建筑物损伤模型比较经典的为Park-Ang双参数模型该模型同时考虑了建筑结构所发生的最大变形以及变形过程中所发生的累积滞回耗能，并将二者进行线性组合。
式中：D为建筑物的损伤指数，xm为地震发生时建筑物实际发生的最大塑性变形，xcu为在单调荷载加载作用下建筑物所发生的极限变形，Eh为建筑物所发生的累积塑性耗能，Fy为建筑物的结构构件发生屈服时的屈服力，β为调整系数。
因此，本发明的实施例中，考虑到建筑结构发生损伤时涉及到塑性变形和能量耗散，对经典的Park-Ang双参数损伤模型及其他结构损伤模型进行改进，获取用于进行评价的评价因子。评价因子，也即损伤指数DI(damage index)的计算公式可以定义为
上式即为建筑物发生损伤时的塑性变形和在煤矿采动和地震联合作用下建筑物发生的能量耗散的线性组合。
上式中，建筑物发生损伤时的塑性变形为：
煤矿采动与地震联合作用下建筑物所发生的能量耗散的总量为
Etotal＝Emine+Eeq (1.2)
其中，θ为建筑结构的顶点位移所对应的转角，°；θy为建筑结构进入屈服阶段产生的屈服位移所对应的转角，°；θu为建筑结构进入极限破坏阶段产生的极限位移所对应的转角，°；β为建筑结构的耗能因子；My为建筑结构进入屈服阶段所承受的屈服弯矩，与θy相对应，N·m；Emine为煤矿采动影响下建筑物的能量耗散，J；Eeq为地震作用下建筑物的能量耗散，J。
本发明可以对三种情况下的抗震性能劣化进行评价，即当Emine为零时，Etotal为地震作用下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散，此时DI为在地震作用下抗震性能劣化的评价因子，当Eeq为零时，Etotal为煤矿采动作用下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散，此时DI为在煤矿采动作用下抗震性能劣化的评价因子；两者都不为零时，此时DI为煤矿采动损伤的建筑在地震作用下抗震性能劣化的评价因子。
本发明的实施例中，对上述损伤指数的计算包括单自由度体系下的损伤指数和多自由度体系下的损伤指数，他们的计算过程如下所示。
地震发生时，单自由度结构体的动力学振动方程为
上式中，m为单自由度体系集中质量，kg；c为单自由度体系的阻尼系数；x(t)为单自由度体系集中质量的位移反应，m；f(t)为恢复力，KN；üg(t)为地震动输入加速度，m/s2。
而根据结构动力学可知：阻尼比结构体系在弹性变形阶段时，其恢复力系与其结构抗力相等，即f(t)＝kx(t)，此时可以得到
此时地震作用下单自由度结构体系的振动方程可以转化为
根据现有的结构动力学中杜哈密积分理论可以得到上式的解
上式即为地震作用下t时刻单自由度结构体系发生弹性变形时的位移响应。
在对煤矿采动损害与地震联合作用下建筑物的损伤演化进行评价时，需要对其能量耗散过程进行分析确定，基于结构动力学及工程结构波动理论可以得到煤矿采动损害与地震联合作用下建筑结构的振动方程如下：
单自由度体系的振动方程
多自由度体系的振动方程
式中：m为单自由度体系集中质量，kg；c为单自由度体系的阻尼系数；x(t)为单自由度体系集中质量的位移反应，m；q(t)为多自由度体系的位移反应，m；Ψ为建筑结构第n阶模态的振型参与系数。
基于能量理论，将上述的两个振动方程对位移进行积分转化得到其能量方程，
单自由度体系的振动能量方程为：
多自由度体系的振动能量方程为：
定义灾害荷载作用下单位质量的单自由度体系所输入的总能量为
建筑结构发生弹性振动的能量
建筑结构进入塑性阶段耗散的能量
阻尼吸收的能量
动荷载作用下建筑结构发生的弹性振动能量主要由两部分组成：①结构发生弹性变形所消耗的能量Ees(t)，②结构的动能Eek(t)，即Ee(t)＝Ees(t)+Eek(t)。
地震作用下建筑结构发生损伤，此时结构不再发生弹性振动，此时建筑物的弹性振动的能量此时建筑物在灾害荷载作用下发生损伤所消耗的能量为
在单自由度体系能量耗散的计算分析的基础上根据多自由度体系与等效自由度体系的能量方程关系：可以得到
地震结束后煤矿采动影响下的多自由度体系发生的损伤所消耗的能量：
则多自由度体系的累积塑性应变能与弹性应变能可表示为
对比可以得到地震作用下煤矿采动损伤建筑的多自由度体系发生的能量耗散(累积滞回耗能)与等效单自由度体系的能量耗散之间的关系为
因此，本发明实施例中的损伤指数DI(Damage index)的计算公式此时可以转化为：
单自由度体系下的损伤指数：
多自由度体系下的损伤指数：
对于一般建筑结构而言，建筑结构的前三阶振型对其动力学响应贡献最多；但是其高阶振型对其动力学响应贡献也不容忽视。在不考虑建筑结构的平动、扭转耦连效应，以及建筑结构振型间相互影响的前提下，充分考虑到一般建筑结构振型是相互独立的，基于结构动力学的SRSS振型组合方法(平方和开平方)可以得到建筑结构最终的损伤指数为：
DIi为建筑结构第i阶振型所对应的损伤指数。
上述的公式(2.9)(3.0)(3.1)即为煤矿采动损伤建筑的抗震性能评价计算方法。
本发明基于弹塑性变形、耗散结构和能量演化理论的煤矿采动损伤建筑的抗震性能评价计算方法可以更好的反映建筑物的煤矿采动损伤、地震损伤以及二者联合作用下煤矿采空区地面建筑物的损伤，因为它不仅反映了煤矿采动荷载、地震荷载以及二者的联合作用下的煤矿采空区地面建筑物所发生的塑性变形，同时也可以更加全面的反映煤矿采动荷载、地震荷载以及二者的联合作用下建筑物结构能量耗散引起刚度劣化、强度降低现象，弥补该领域对煤矿采动损伤建筑抗震性能研究的不足。
通过基于弹塑性变形、耗散结构和和能量演化的煤矿采动损伤建筑抗震性能的评价指标，可以更加真实的反映灾害荷载作用下建筑物的损伤演化机制以及灾变破坏准则，所以用其来描述煤矿采动损伤建筑的抗震性能的变化更为准确。
Claims (4)
1.煤矿采动损伤建筑抗震性能评价方法，其特征在于：包括
获取建筑物发生损伤时的塑性变形，所述损伤为在煤矿采动作用下或地震作用下或煤矿采动和地震联合作用下形成；
获取塑性变形过程的能量耗散：Etotal＝Emine+Eeq；其中Emine为煤矿采动影响下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散，Eeq为地震作用下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散；当Emine为零时，Etotal为地震作用下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散，当Eeq为零时，Etotal为煤矿采动作用下建筑物发生塑性变形过程中的能量耗散；
根据建筑物发生损伤时的塑性变形与建筑物发生塑性变形时的能量耗散，建立建筑物抗震性能劣化的评价因子，根据评价因子对建筑物的损伤进行评价；所述建筑物发生损伤时的塑性变形为：
其中，θ为建筑结构的顶点位移所对应的转角，°；θy为建筑结构进入屈服阶段产生的屈服位移所对应的转角，°；θu为建筑结构进入极限破坏阶段产生的极限位移所对应的转角，°；
单自由度体系的塑性变形过程的能量耗散：
多自由度体系的塑性变形过程的能量耗散：
其中，m为单自由度体系集中质量，kg；x(t)为单自由度体系集中质量的位移反应，m；为单自由度体系的圆频率，rad/s；ζ为阻尼比；k(t)为单自由度体系的刚度，KN/m；
所述采煤沉陷区建筑物抗震性能劣化的评价因子为基于Park-Ang双参数模型获取的损伤指数：
当Emine为零时，DI为地震作用下建筑物抗震性能劣化的评价因子，当Eeq为零时，DI为煤矿采动作用下建筑物抗震性能劣化的评价因子；当Emine和Eeq均不为零时，DI为煤矿采动影响下的建筑物在地震作用下抗震性能劣化的评价因子；
其中，My为建筑结构进入屈服阶段所承受的屈服弯矩，与θy相对应，N·m；β为建筑结构的耗能因子。
2.根据权利要求1所述的煤矿采动损伤建筑抗震性能评价方法，其特征在于：单自由度体系下，所述煤矿采动损伤建筑抗震性能的损伤指数为：
3.根据权利要求1所述的煤矿采动损伤建筑抗震性能评价方法，其特征在于：多自由度体系下，所述煤矿采动损伤建筑抗震性能的损伤指数为：
其中，Ψ为建筑结构第n阶模态的振型参与系数。
4.根据权利要求1所述的煤矿采动损伤建筑抗震性能评价方法，其特征在于：在不考虑建筑结构的平动、扭转耦连效应，以及建筑结构振型间相互影响的前提下，基于结构动力学的SRSS振型组合方法(平方和开平方)得到建筑结构的损伤指数为：
DIi为建筑结构第i阶振型所对应的损伤指数。
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