CN111291439B - 一种基于有限元分析的建筑减震加固设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于有限元分析的建筑减震加固设计方法，属于建筑结构抗震与消能减震加固技术领域，可以更加精准的判断出结构抗震的可修性；大数据中心核算分析模块不仅可以调取数据中心库，提取类似信息，大大缩短计算过程，还可以借助新数据的计算更新数据中心库，利用机器学习手段，不断优化计算分析方法，让大数据中心核算分析模块越来越智能；阻尼器模拟“预加固”处理信号对数据进行修正，使最终计算结果更加接近实际情况；大数据中心强大的批量数据处理性能可以对信息就行快速运算，并最终通过GUI传输接口以图文的形式进行3D展示，结果一目了然。本发明结合有限元分析和机器学习的优势，使其与传统方式相比拥有更大的优势。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构抗震与消能减震加固技术领域，涉及一种建筑减震加固设计方法，特别是一种基于有限元分析的建筑减震加固设计方法。
背景技术
地震是最具危害性的自然灾害之一,全世界每年大约发生500万次地震,大多数地震都需灵敏的仪器才能测量到,而人能直接感知的地震大约占1％左右。我国是多地震的国家,地震区分布广,历次大地震给人民生命财产带来了巨大损失。2008年5月12日14时28分04秒，四川省汶川县发生里氏8级地震，地震烈度达到11度。此次地震的地震波已确认共环绕了地球6圈，地震严重破坏地区超过10万平方千米，其中，极重灾区共10个县(市)，较重灾区共41个县(市)，一般灾区共186个县(市)。地震共造成约46万人伤亡或失踪，经济损失超过1万亿元。
我们国家的抗震设防目标是“小震不坏,中震可修,大震不倒”。这就要求结构构件具有足够的承载力和塑性变形能力。由于地震发生一般伴随着主震、余震或震群的地震排列，同时结构在设计使用年限内遭受相隔时间较长(一般为几年到几十年)的多次地震作用的可能性也不同程度的存在。因此，在对“中震”后的有损伤结构进行修复时，必须保证修复后的结构具有抵抗下次地震的能力。
传统加固方法有很多，例如：裂缝修补技术(包括压力灌浆法、开槽填补法、表面封闭)、锚栓加固技术、植筋加固技术、增大截面加固法、置换混凝土加固法等。基本上都是通过增强结构自身刚度和强度来实现抗震加固的目的，这种做法依靠自身的弹塑性变形来抵抗地震能量，没有自我调节和自我控制的能力，当地震能像足够大时，将对建筑物造成毁灭性破坏。消能减震加固技术利用消能构建在地震作用先于主体结构承受地震作用的特点，消耗绝大部分地震能量，而在震后仅需对减震构件进行更换即可继续投入使用，为建筑减震加固设计提供了新的思路。传统的建筑减震加固设计的思路是：在遵循相关规范标准的前提下，根据经验公式进行反复计算，或者借助计算机软件编程，输入参数信息进行半自动化计算，这种设计方法耗时长、效率低下，在面对超高层、大型建筑、复杂建筑时，所需要消耗的时间和精力更为惊人，最终得到的也只是一个相对符合要求的设计方案，而且计算过程属于一次性，没有存储、累积和叠加效应，更谈不上主动学习。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于有限元分析的建筑减震加固设计方法：提供了一种新的建筑减震加固设计方法，基于有限元分析，可以更加精准的判断出结构抗震的可修性；大数据中心核算分析模块不仅可以调取数据中心库，提取类似信息，大大缩短计算过程，还可以借助新数据的计算更新数据中心库，利用机器学习手段，不断优化计算分析方法，让大数据中心核算分析模块越来越智能；阻尼器模拟“预加固”处理信号对数据进行修正，使最终计算结果更加接近实际情况；大数据中心强大的批量数据处理性能可以对信息就行快速运算，并最终通过GUI传输接口以图文的形式进行3D展示，结果一目了然。本发明结合有限元分析和机器学习的优势，使其与传统方式相比拥有更大的优势。
为了实现上述目的，本发明采用以下方案：
①有限元分析处理模块，以既有发生过地震的建筑物(构筑物)为研究对象，在加固前对其进行有限元分析，结合标准规范，判断出结构减震的可修性，处理数据传输至大数据中心核算分析模块。
②大数据中心核算分析模块对数据进行处理，设定消能减震结构性能水准，并以此计算出阻尼器支撑布置与参数设计，通过对减震控制效果进行分析，验算是否满足抗震要求和安全性要求，同时进行成本分析和综合效益评价。
③大数据中心核算分析模块中包括大数据中心库，核算分析模块从大数据中心库中调取类似项目的信息数据，如果拥有类似项目，仅需要通过简单计算即可得出阻尼器支撑布置与参数设计，再对减震效果和安全性进行核验，同时进行成本分析和综合效益评价即可；如果数据库中没有类似项目的数据，那么则重复步骤②，最后将新获取的数据信息反馈至大数据中心库，更新数据信息。
④阻尼器模拟计算模块可以模拟对建筑进行“预加固”，提供数据模拟信号传输至大数据中心核算分析模块。大数据中心核算分析模块通过分析计算对结果进行修正，使最终输出结果更加接近实际情况。
⑤最终计算结果通过GUI传输接口，以图文的形式进行3D展示，细化节点，并生成数据分析表，以辅助现场施工。
本发明进一步改进在于：步骤①中，以既有发生过地震的建筑物(构筑物)为研究对象，根据现行《建筑抗震设计规范》以及相关的标准，在满足安全性要求的前提下，确定原结构的抗震加固设防新目标，建立原结构有限元模型，在加固前进行有限元分析，判断出结构减震的可修性，当结构减震计算满足要求时，即原结构可以通过布置一定数量的阻尼器再次投入使用并拥有抵抗下一次“中震”的能力时，处理数据传输至大数据中心核算分析模块。
本发明进一步改进在于：步骤②中，大数据中心核算分析模块在接收到有限元分析处理模块传输的数据后，对数据进行处理，在兼顾业主需求的前提下，设定消能减震结构性能水准，并以此计算出阻尼器支撑布置与参数设计，对减震控制效果进行分析，当减震效果满足需求时，再进行抗震验算和安全进行评价，此时若抗震验算或安全性评价不满足要求时重新对阻尼器支撑布置与参数进行设计，重新对减震控制效果进行分析，直至结果满意。再进行成本分析和综合效益评价，此时若对成本分析和综合效益评价不满意，再重新设定设定消能减震结构性能水准或者重新对阻尼器支撑布置与参数进行设计，如此往复，直至最终的结果满足成本分析和综合效益评价的要求。
本发明进一步改进在于：步骤③中，包含在大数据中心核算分析模块中的大数据中心库，库内含有非常丰富的建筑减震加固数据信息和应用模型，大数据中心核算分析模块通过比对，从大数据中心库中调取类似项目的信息数据。此时存在两种情况：第一种情况，如果大数据中心库中拥有类似项目信息，只需要直接调取相关数据，结合实际情况，进行简单的计算，即可得出阻尼器支撑布置与参数设计，并以此进行减震控制效果分析，核验是否满足抗震要求和安全性评价，最后再对成本和综合效益进行分析评价即可。第二种情况，如果数据库中没有类似项目信息，那么则需要重复步骤②，最后将新获取的数据信息反馈至大数据中心库，更新数据信息。通过数据不断的积累，大数据中心库内数据信息愈发完整，其内部的AI芯片使其拥有自我学习的能力，并不断自我完善，变得越来越智能，越来越高效。
本发明进一步改进在于：步骤④中，阻尼器模拟计算模块提供两种附加阻尼器模拟信号：第一种是附加金属阻尼器，首先估算需求初始刚度，通过附加等效刚度确定附加需求阻尼比，再计算设计屈服阻尼力，以此配置阻尼器支撑，最后再验算附加等效阻尼比，如果不满足需求时重复以上操作；第二种是附加粘滞阻尼器，首先估算需求阻尼力，再计算期望阻尼力，并以此配置阻尼器支撑，最后再验算等效阻尼比，如果不满足需求时重复以上操作。通过以上两种方式模拟对建筑进行“预加固”，提供数据模拟信号传输至大数据中心核算分析模块。大数据中心核算分析模块通过分析计算对结果进行修正，使最终输出结果更加接近实际情况。
本发明进一步改进在于：步骤⑤中，大数据中心核算分析模块在叠加阻尼器模拟计算模块提供的“预加固”模拟信号后，最终的计算结果通过GUI传输接口，连接到图形显示器，以图文的形式进行3D展示，对节点进行细化，并生成数据分析表，可以直接用以辅助现场施工。
与现有技术相比，本发明可以获得以下技术效果：
本发明具有以下有益效果：①提供了一种新的建筑减震加固设计方法，基于有限元分析，可以更加精准的判断出结构抗震的可修性；②大数据中心核算分析模块不仅可以调取的数据中心库，提取类似信息和结构模型，大大缩短计算过程，还可以借助新数据的计算更新数据中心库，丰富建筑减震加固信息和模型的样本总数；③大数据中心库通过AI芯片计算，利用机器学习手段，不断优化计算分析方法，让大数据中心核算分析模块越来越智能和高效；④阻尼器模拟“预加固”处理信号对数据进行修正，使最终计算结果更加接近实际情况；⑤大数据中心强大的批量数据处理性能可以对信息就行快速运算，并最终通过GUI传输接口以图文的形式进行3D展示，结果一目了然。。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对我国某中部地区震后建筑物修复，提出一种基于有限元分析的建筑减震加固设计方法，该方法主要由有限元分析处理模块、大数据中心核算分析模块、阻尼器模拟计算模块组成，最终结果通过GUI连接接口进行显示。为该地区建筑减震加固设计提供新的方法。
实施例1：
①以既有发生过地震的建筑物(构筑物)为研究对象，根据现行《建筑抗震设计规范》以及相关的标准，在满足安全性要求的前提下，确定原结构的抗震加固设防新目标，建立原结构有限元模型，在加固前进行有限元分析，判断出结构减震的可修性，当结构减震计算满足要求时，即原结构可以通过布置一定数量的阻尼器再次投入使用并拥有抵抗下一次“中震”的能力时，处理数据传输至大数据中心核算分析模块。
②大数据中心核算分析模块在接收到有限元分析处理模块传输的数据后，对数据进行处理，在兼顾业主需求的前提下，设定消能减震结构性能水准，并以此计算出阻尼器支撑布置与参数设计，对减震控制效果进行分析，当减震效果满足需求时，再进行抗震验算和安全进行评价，此时若抗震验算或安全性评价不满足要求时重新对阻尼器支撑布置与参数进行设计，重新对减震控制效果进行分析，直至结果满意。再进行成本分析和综合效益评价，此时若对成本分析和综合效益评价不满意，再重新设定设定消能减震结构性能水准或者重新对阻尼器支撑布置与参数进行设计，如此往复，直至最终的结果满足成本分析和综合效益评价的要求。
③包含在大数据中心核算分析模块中的大数据中心库，库内含有非常丰富的建筑减震加固数据信息和应用模型，大数据中心核算分析模块通过比对，从大数据中心库中调取类似项目的信息数据。此时存在两种情况：第一种情况，如果大数据中心库中拥有类似项目信息，只需要直接调取相关数据，结合实际情况，进行简单的计算，即可得出阻尼器支撑布置与参数设计，并以此进行减震控制效果分析，核验是否满足抗震要求和安全性评价，最后再对成本和综合效益进行分析评价即可。第二种情况，如果数据库中没有类似项目信息，那么则需要重复步骤②，最后将新获取的数据信息反馈至大数据中心库，更新数据信息。
④阻尼器模拟计算模块提供两种附加阻尼器模拟信号：第一种是附加金属阻尼器，首先估算需求初始刚度，通过附加等效刚度确定附加需求阻尼比，再计算设计屈服阻尼力，以此配置阻尼器支撑，最后再验算附加等效阻尼比，如果不满足需求时重复以上操作；第二种是附加粘滞阻尼器，首先估算需求阻尼力，再计算期望阻尼力，并以此配置阻尼器支撑，最后再验算等效阻尼比，如果不满足需求时重复以上操作。通过以上两种方式模拟对建筑进行“预加固”，提供数据模拟信号传输至大数据中心核算分析模块。大数据中心核算分析模块通过分析计算对结果进行修正，使最终输出结果更加接近实际情况。
⑤大数据中心核算分析模块在叠加阻尼器模拟计算模块提供的“预加固”模拟信号后，最终的计算结果通过GUI传输接口，连接到图形显示器，以图文的形式进行3D展示，对节点进行细化，并生成数据分析表，可以直接用以辅助现场施工。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种基于有限元分析的建筑减震加固设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
①有限元分析处理模块，以既有发生过地震的构筑物为研究对象，在加固前对其进行有限元分析，结合标准规范，判断出结构减震的可修性，处理数据传输至大数据中心核算分析模块；
②大数据中心核算分析模块对数据进行处理，设定消能减震结构性能水准，并以此计算出阻尼器支撑布置与参数设计，通过对减震控制效果进行分析，验算是否满足抗震要求和安全性要求，同时进行成本分析和综合效益评价；
③大数据中心核算分析模块中包括大数据中心库，核算分析模块从大数据中心库中调取类似项目的信息数据，如果拥有类似项目，仅需要通过简单计算即可得出阻尼器支撑布置与参数设计，再对减震效果和安全性进行核验，同时进行成本分析和综合效益评价即可；如果数据库中没有类似项目的数据，那么则重复步骤②，最后将新获取的数据信息反馈至大数据中心库，更新数据信息；
④阻尼器模拟计算模块可以模拟对建筑进行“预加固”，提供数据模拟信号传输至大数据中心核算分析模块；大数据中心核算分析模块通过分析计算对结果进行修正，使最终输出结果更加接近实际情况；
⑤最终计算结果通过GUI传输接口，以图文的形式进行3D展示，细化节点，并生成数据分析表，以辅助现场施工。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的建筑减震加固设计方法，其特征在于：在步骤①中，以既有发生过地震的构筑物为研究对象，根据现行《建筑抗震设计规范》以及相关的标准，确定原结构的抗震加固设防新目标，建立原结构有限元模型，在加固前进行有限元分析，判断出结构减震的可修性，处理数据传输至大数据中心核算分析模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的建筑减震加固设计方法，其特征在于：在步骤②，大数据中心核算分析模块在接收到有限元分析处理模块传输的数据后，对数据进行处理，在兼顾业主需求的前提下，设定消能减震结构性能水准，并以此计算出阻尼器支撑布置与参数设计，通过对减震控制效果进行分析，验算是否满足抗震要求和安全性要求，同时进行成本分析和综合效益评价；当结果不满足要求时再重复以上操作。
4.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的建筑减震加固设计方法，其特征在于：在步骤③，包含在大数据中心核算分析模块中的大数据中心库，库内含有非常丰富的减震加固数据信息，核算分析模块从大数据中心库中调取类似项目的信息数据；此时存在两种情况：第一种情况，如果大数据中心库中拥有类似项目，只需要直接调取相关数据，结合实际情况，进行简单的计算，即可得出阻尼器支撑布置与参数设计，并以此进行减震控制效果分析，核验是否满足抗震要求和安全性评价，最后再对成本和综合效益进行分析评价即可；第二种情况，如果数据库中没有类似项目，那么则需要重复步骤②，最后将新获取的数据信息反馈至大数据中心库，更新数据信息；通过数据不断的积累，大数据中心库内数据信息愈发完整，借助机器学习，不断自我完善，变得越来越智能。
5.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的建筑减震加固设计方法，其特征在于：在步骤④，阻尼器模拟计算模块提供两种附加阻尼器模拟信号，第一种是附加金属阻尼器，第二种是附加粘滞阻尼器，可以模拟对建筑进行“预加固”，提供数据模拟信号传输至大数据中心核算分析模块；大数据中心核算分析模块通过分析计算对结果进行修正，使最终输出结果更加接近实际情况。
6.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的建筑减震加固设计方法，其特征在于：在步骤⑤，叠加阻尼器模拟计算模块提供的“预加固”模拟信号，最终的计算结果通过GUI传输接口，以图文的形式进行3D展示，对节点进行细化，并生成数据分析表，用以辅助现场施工。
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