CN106980732A - 一种基于裂缝非线性生长的建筑物横梁失效情景构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑物健康监测技术领域，具体涉及一种基于裂缝非线性生长的建筑物横梁失效情景构建方法，包括如下步骤：S1.构建建筑物横梁的三维模型；S2.对建筑物横梁的三维模型施加约束；S3.对建筑物横梁的三维模型施加作用力；S4.建筑物横梁损伤的可视化构建。本发明的建筑物横梁失效情景构建方法是基于裂缝非线性生长而进行构建的，用以将事故情景展示出来，对预期风险做到全过程、全方位、全景观的系统的了解，有利于找到灾难的普遍规律，并作出相应的预案。在工程实际中，对研究混凝土结构的几何损伤特征、裂缝扩展趋势，探讨损伤对耐久性的影响，建立相应的抗裂和提高耐久性的措施，具有现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及建筑物健康监测技术领域，具体涉及一种基于裂缝非线性生长的建筑物横梁失效情景构建方法。
背景技术
钢筋混凝土结构是以混凝土为主体，配设不同形式的抗拉钢筋所构成的组合材料，二者的性能互补，成为迄今为止应用较为广泛的复合材料结构。而混凝土是一种人造石料，其抗压能力很强，但是其抗拉强度很弱，受到外荷载作用容易产生裂缝，使混凝土结构的刚性和强度降低、外观损伤并影响耐久性。虽然裂纹的发展会影响结构的性能，但是结构中的裂纹是必然存在的，即结构在正常使用过程中是带裂纹的，所以只要有效的控制不可避免的裂纹就可以使钢筋混凝土结构得到有效的利用。研究混凝土结构的几何损伤特征、裂缝扩展趋势，探讨损伤对耐久性的影响，建立相应的抗裂和提高耐久性的措施，在工程实际中具有现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于裂缝非线性生长的建筑物横梁失效情景构建方法，用以构建建筑物横梁失效的情景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于裂缝非线性生长的建筑物横梁失效情景构建方法，包括如下步骤：
S1.构建建筑物横梁的三维模型；
S2.对建筑物横梁的三维模型施加约束；
S3.对建筑物横梁的三维模型施加作用力；
S4.建筑物横梁损伤的可视化构建。
进一步地，步骤S1的建模过程为：先用AutoCAD绘制建筑物横梁的平面图，然后将绘制完好的平面图导入3DsMax软件中创建三维模型，同时对所建的三维模型进行材质的编辑。
进一步地，步骤S2中对建筑物横梁的三维模型施加约束时，先将建筑物横梁简化为简支梁，然后再根据简支梁的两端支座情况来定义模型两端的约束形式。
进一步地，步骤S3中给建筑物横梁的三维模型施加的作用力的参数包括作用力的形式、作用点、大小以及作用方向。
进一步地，步骤S4包括如下步骤：
S41.利用高频照相机采集真实建筑物横梁的裂缝初始状态图片以及在荷载作用下真实建筑物横梁裂缝扩展过程中不同时刻的图片；
S42.利用Photoshop软件将所采集裂缝初始状态图片以及裂缝扩展过程中不同时刻的图片与完好的横梁外观图片进行合成得到建筑物横梁破坏过程的图片；
S43.借助3DsMax软件利用贴图法，将建筑物横梁破坏过程的图片按照裂缝初始状态到裂缝最终破坏状态的顺序分别贴在建筑物横梁的三维模型上，得到建筑物横梁三维模型破坏过程的图片；
S44.在ArcGlobe中实现建筑物横梁破坏失效的可视化，利用所具有的矢量数据和格栅数据，来创建三维动画，实现横梁破坏失效情景的可视化。
本发明的建筑物横梁失效情景构建方法是基于裂缝非线性生长而进行构建的，用以将事故情景展示出来，对预期风险做到全过程、全方位、全景观的系统的了解，有利于找到灾难的普遍规律，并作出相应的预案。在工程实际中，对研究混凝土结构的几何损伤特征、裂缝扩展趋势，探讨损伤对耐久性的影响，建立相应的抗裂和提高耐久性的措施，具有现实意义。
附图说明
图1是混凝土裂缝扩展演化过程图；
图2混凝土虚拟裂缝模型；
图3是含有裂缝的单元网格图；
图4是裂缝的阶跃函数—Heaviside函数；
图5是建筑物横梁的开裂破坏情景过程。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
混凝土构件裂缝非线性扩展分析：
(1)澄清混凝土横梁内部原始损伤产生机理
混凝土结构内部裂纹损伤断裂机理是建立结构裂缝扩展模型的基础，通常混凝土结构在承受荷载之前会产生原始微裂纹，混凝土结构裂缝损伤断裂机理如下：
a、水泥石在凝结硬化过程中体积收缩，并且收缩过程受到粗细骨料的限制而产生的微裂纹。
b、混凝土内部存在的微小气泡及串通气泡在骨料界面产生的界面微裂纹。
c、在混凝土凝结硬化过程中多余水分的蒸发形成毛细孔道而成的微裂纹。
(2)认识外荷载作用下混凝土构件微裂纹的演化过程
当混凝土结构受到荷载作用时，混凝土中的应力随着荷载的增大而逐渐变大，其内部的微裂缝将在骨料界面、浆体内部演化扩展。混凝土内部裂纹的演化扩展会导致结构产生变形，而且大部分在卸载后不能恢复，这也是混凝土会产生塑性变形的原因。随着外荷载的继续增大，混凝土内部的微裂缝继续扩展逐渐形成贯通裂缝，也就导致宏观裂缝的产生直至结构的最终破坏，其扩展演化过程图1所示。
图1中图(a)是指骨料表面的原始微裂纹；图(b)是指随着荷载不断增大，这些微裂纹从骨料表面开始向着灰浆区域偏移和扩展；图(c)是指在灰浆区域开始产生微裂缝；图(d)是指随着内部应力的增大，内部各种裂缝继续扩展相互贯穿想成宏观裂缝直至结构破坏。
(3)建立混凝土构件裂缝扩展简化模型
由混凝土结构裂缝损伤断裂过程来看，这只是利用光学显微镜、电镜、超声波探测或者声发射等技术对混凝土裂缝扩展的粗略描述，不能准确地掌握裂缝扩展演化情况。为了分析裂缝尖端前沿的应力状态，研究混凝土结构中裂纹的扩展过程，现建立裂缝扩展模型如图2所示。
混凝土结构裂缝在失稳扩展前，其裂缝前沿形成一个微裂缝区如图2(a)所示，现用一条混凝土虚拟裂缝来近似模拟此微裂缝区如图2(b)所示。该裂缝模型定义如下：
1)当混凝土结构裂缝区应力较低时，微裂缝比较稳定不向前扩展，即裂缝不向前延伸，而当其应力达到混凝土材料的抗拉强度值这一临界值时，裂缝会向前扩展延伸。
2)混凝土应力达到其抗拉强度时形成的裂缝并不像真的裂缝那样完全脱开，而是相互之间仍有应力的作用，这种相互间有应力的作用的裂缝代替了微裂缝区材料间仍保留的相互作用。裂缝模型间传递应力的大小随虚拟裂缝的张开宽度而减小，应力为零的点就是宏观裂缝的端点。
3)裂缝区以外的混凝土材料抗拉时按照弹性材料处理。
4)混凝土虚拟裂缝间传递应力的规律按照σ-ω(裂缝宽度)来表示，这一规律是由混凝土单轴拉伸试验来确定的。
(4)揭示混凝土裂缝模型的扩展力学机理
混凝土裂缝扩展过程中，利用不连续函数来加强常规的位移模式，加强后的扩展函数为：
式中，NI(x)为裂缝扩展的节点插值形函数，uI为裂缝扩展的节点位移，Ω为裂缝扩展的所有节点集合，Ωd为裂缝扩展的所有不连续区域节点集合，aI为考虑不连续而引入的新的未知量，φ(x)为考虑不连续而引入的新的富集函数。
对于一个混凝土裂缝如图3，其扩展函数通常包含以下几种函数：
1)Heaviside函数，此函数是针对裂缝贯穿单元(节点用五边形表示)用来表述裂缝面位移的不连续性，此时式(1)中的φ(x)＝H(x)，H(x)为描述混凝土裂缝不连续位移场的阶跃函数，表达式如下：
式中，X是相应x点距离裂缝面最近处的投影，n为裂缝上X处单位法向量如图4所示。
2)裂缝尖端渐进函数，此函数是针对裂缝尖端(节点用圆圈表示)用来描述裂缝尖端应力的奇异性，此时式(1)中的
其中，r,θ为裂缝尖端的极坐标参数。
3)对于单元内部有多种材料，则此时式(1)中的引入此函数来表述材料边界的不连续性。其中，为对应不同材料间的不连续体界面的水平集函数。
(5)构建建筑物横梁开裂破坏的情景
建筑物横梁的破坏失效情景构建的实现过程按如下步骤进行。
S1.构建建筑物横梁的三维模型；先用AutoCAD绘制建筑物横梁的平面图，然后将绘制完好的平面图导入3DsMax软件中创建三维模型，同时对所建的三维模型进行材质的编辑。
S2.对建筑物横梁的三维模型施加约束；具体过程是，先将建筑物横梁简化为简支梁，然后再根据简支梁的两端支座情况来定义模型两端的约束形式。
S3.对建筑物横梁的三维模型施加作用力；作用力的参数包括作用力的形式、作用点、大小以及作用方向。
S4.建筑物横梁损伤的可视化构建主要包括如下步骤：
S41.利用高频照相机采集真实建筑物横梁的裂缝初始状态图片以及在荷载作用下真实建筑物横梁裂缝扩展过程中不同时刻的图片；
S42.利用Photoshop软件将所采集裂缝初始状态图片以及裂缝扩展过程中不同时刻的图片与完好的横梁外观图片进行合成得到建筑物横梁破坏过程的图片；
S43.借助3DsMax软件利用贴图法，将建筑物横梁破坏过程的图片按照裂缝初始状态到裂缝最终破坏状态的顺序分别贴在建筑物横梁的三维模型上，得到建筑物横梁三维模型破坏过程的图片；
S44.在ArcGlobe中实现建筑物横梁破坏失效的可视化，利用所具有的矢量数据和格栅数据，来创建三维动画，实现横梁破坏失效情景的可视化。
Claims (5)
1.一种基于裂缝非线性生长的建筑物横梁失效情景构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.构建建筑物横梁的三维模型；
S2.对建筑物横梁的三维模型施加约束；
S3.对建筑物横梁的三维模型施加作用力；
S4.建筑物横梁损伤的可视化构建。
2.根据权利要求1所述的基于裂缝非线性生长的建筑物横梁失效情景构建方法，其特征在于，步骤S1的建模过程为：先用AutoCAD绘制建筑物横梁的平面图，然后将绘制完好的平面图导入3DsMax软件中创建三维模型，同时对所建的三维模型进行材质的编辑。
3.根据权利要求1所述的基于裂缝非线性生长的建筑物横梁失效情景构建方法，其特征在于，步骤S2中对建筑物横梁的三维模型施加约束时，先将建筑物横梁简化为简支梁，然后再根据简支梁的两端支座情况来定义模型两端的约束形式。
4.根据权利要求1所述的基于裂缝非线性生长的建筑物横梁失效情景构建方法，其特征在于，步骤S3中给建筑物横梁的三维模型施加的作用力的参数包括作用力的形式、作用点、大小以及作用方向。
5.根据权利要求1所述的基于裂缝非线性生长的建筑物横梁失效情景构建方法，其特征在于，步骤S4包括如下步骤：
S41.利用高频照相机采集真实建筑物横梁的裂缝初始状态图片以及在荷载作用下真实建筑物横梁裂缝扩展过程中不同时刻的图片；
S42.利用Photoshop软件将所采集裂缝初始状态图片以及裂缝扩展过程中不同时刻的图片与完好的横梁外观图片进行合成得到建筑物横梁破坏过程的图片；
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