CN112100873A - 水工建筑物承载力的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水工建筑物承载力的确定方法，包括如下步骤：将待分析建筑物分解为数值模型和试验模型；对试验模型进行初级加载；获得两模型的边界位移和试验子结构的变形刚度；统一所有数值模型和试验子模型，以形成整体结构的平衡方程并求解该方程，得到当前荷载步上各自由度的参数；确定下一级荷载的大小，以对试验子模型下一级加载，直至试验全部荷载加载或试验子模型破坏，以得出待分析建筑物在当前加载过程中所能承受的最大荷载。本发明融合了物理试验和有限元数值计算的混合试验技术，可以反映实际结构的复杂变形性能、性能老化演变以及不同加载路径对结构承载力的影响，可以极大地提高建筑物承载力评估的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程仿真模型技术领域，具体涉及一种水工建筑物承载力的确定方法。
背景技术
我国水利水电工程经过多年建设高峰现已进入缓慢稳定增长期，对老化病害水工建筑物开展承载力安全评估的需求日益凸显。目前对水工建筑物病害和修补加固效果的结构评估，仍普遍采用基于各种假定参数的结构分析软件。由于老化病害水工建筑物的材料性能劣化程度复杂，复合加固结构的应力分析难度大，结构分析结果与建筑物真实性态常存在明显差异，导致结构评估盲目性较大，不能满足实际工程需要。为了提高评估的技术水平，需要通过结构检测和试验对结构分析软件的计算参数进行不断检验和修正。但目前室内结构试验手段缺乏，仅仅依靠有限的现场检测难以达到对结构真实形态进行评估的要求。因此，传统的数值计算和物理试验方法均难以准确反映老化病害建筑物加固前后的实际承载力水平。
混合仿真试验是一种将整体结构数值模型与局部物理子模型结合起来进行建筑物力学分析的试验方法。该方法最早起源于结构动力试验，并一直在土木工程、交通、机械和航天等领域的结构振动和动力性能研究方面得到广泛应用。将这一试验方法引入水工建筑物承载力评估领域，可充分发挥数值计算和物理试验方法在反映水工建筑物复杂力学行为方面的作用，取长补短，更加精准地反应建筑物实际的承载力水平。但是目前水利和土木工程领域混合仿真试验均针对结构的动力响应性能，侧重于研究地震作用对建筑物安全的影响，以建筑物本身复杂的材料特性和结构特性为出发点、以确定结构承载力为目的的混合仿真试验还没有。
发明内容
为解决已有技术存在的不足，本发明提供了一种水工建筑物承载力的确定方法，包括如下步骤：
步骤S1：将待分析建筑物分解为数值模型和试验模型；
步骤S2：对试验模型进行初级加载；
步骤S3：获得两模型的边界位移和试验子结构的变形刚度；
步骤S4：统一所有数值模型和试验子模型，以形成整体结构的平衡方程并求解该方程，得到当前荷载步上各自由度的参数；
步骤S5：确定下一级荷载的大小，以对试验子模型下一级加载；
步骤S6：重复步骤S3-步骤S5，直至试验全部荷载加载或试验子模型破坏，以得出待分析建筑物在当前加载过程中所能承受的最大荷载。
其中，所述步骤S1中，数值模型和试验模型互为边界条件。
其中，所述步骤S2及步骤S5中，根据建筑物实际可能承受的荷载情况确定加载模式和加载过程。
其中，所述步骤S3中，通过开源试验控制系统将两模型的边界位移和试验子结构的变形刚度传递给有限元分析软件，所述步骤S4中，由有限元软件统一所有数值模型和试验子模型，以形成整体结构的平衡方程并求解该方程，得到当前荷载步上各自由度的参数。
其中，所述步骤S5中，由有限元分析软件根据试验子模型的位移和刚度确定下一级荷载的大小，并将加载信号发送给试验控制系统，试验控制系统按照收到的加载信号对试验子模型下一级加载，并收集试验模型的位移信号给有限元分析软件，以利有限元分析软件确定下一次的加载信号。
本发明提供的水工建筑物承载力的确定方法，融合了物理试验和有限元数值计算的混合试验技术，可以反映实际结构的复杂变形性能、性能老化演变以及不同加载路径对结构承载力的影响，可以极大地提高建筑物承载力评估的准确性。
附图说明
图1：本发明的水工建筑物承载力确定方法的原理图。
具体实施方式
为了对本发明的技术方案及有益效果有更进一步的了解，下面结合附图详细说明本发明的技术方案及其产生的有益效果。
本发明的目的是为了解决传统的数值计算方法和物理试验方法难以准确确定水工建筑物实际承载力的问题，本发明提供了一种基于混合仿真试验技术的建筑物承载力确定方法。
本发明将结构混合仿真试验技术引入建筑物承载力评估领域。即将建筑物中非线性较强、力学行为演变复杂的构件，包括受损严重的构件，以及进行各种加固处理的构件作为试验子模型采用物理试验模拟，将易于把握的其他建筑物或者与试验子模型结构性能相近的结构在计算机中建立有限元模型进行数值模拟，两个模型在实际评估要求的整个加载过程中进行数据交互，协同控制试验和计算进程直至试验子模型构件破坏，从而完成对整体结构的承载力评估。
图1为本发明的水工建筑物承载力确定方法的原理图，如图1所示，本发明的水工建筑物承载力确定方法，首先将待分析建筑物分解成数值模型和试验模型，两者互为边界条件，再根据建筑物实际可能承受的荷载情况确定加载模式和加载过程，对试验模型进行初级加载获得两模型之间的边界位移和试验子结构的变形刚度，通过开源试验控制系统将试验子结构的变形刚度传输给有限元分析软件；然后由有限元软件将所有数值模型和试验子模型统一起来形成整体结构的平衡方程进行求解，得到该荷载步各自由度上的参数，如位移等；同时，有限元软件根据试验子模型的位移和刚度调整确定下一级荷载的大小，并将加载信号发送给试验控制系统；试验控制系统按照收到的加载信号对试验子模型进行加载，并收集试验模型的位移信号传回给有限元软件；如此循环，直至试验全部荷载加载结束或试验子模型破坏。据此可得出建筑物在这一加载过程中所能承受的最大荷载，从而确定建筑物的承载力。
本发明的水工建筑物承载力确定方法，融合了物理试验和有限元数值计算的混合试验技术，可以反映实际结构的复杂变形性能、性能老化演变以及不同加载路径对结构承载力的影响，可以极大地提高建筑物承载力评估的准确性。
虽然本发明已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用以限定本发明的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属本发明所保护的范围，因此本发明的保护范围以权利要求书所界定的为准。
Claims (5)
1.一种水工建筑物承载力的确定方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：将待分析建筑物分解为数值模型和试验模型；
步骤S2：对试验模型进行初级加载；
步骤S3：获得两模型的边界位移和试验子结构的变形刚度；
步骤S4：统一所有数值模型和试验子模型，以形成整体结构的平衡方程并求解该方程，得到当前荷载步上各自由度的参数；
步骤S5：确定下一级荷载的大小，以对试验子模型下一级加载；
步骤S6：重复步骤S3-步骤S5，直至试验全部荷载加载或试验子模型破坏，以得出待分析建筑物在当前加载过程中所能承受的最大荷载。
2.如权利要求1所述的水工建筑物承载力的确定方法，其特征在于：所述步骤S1中，数值模型和试验模型互为边界条件。
3.如权利要求1所述的水工建筑物承载力的确定方法，其特征在于：所述步骤S2及步骤S5中，根据建筑物实际可能承受的荷载情况确定加载模式和加载过程。
4.如权利要求1所述的水工建筑物承载力的确定方法，其特征在于：所述步骤S3中，通过开源试验控制系统将两模型的边界位移和试验子结构的变形刚度传递给有限元分析软件，所述步骤S4中，由有限元软件统一所有数值模型和试验子模型，以形成整体结构的平衡方程并求解该方程，得到当前荷载步上各自由度的参数。
5.如权利要求4所述的水工建筑物承载力的确定方法，其特征在于：所述步骤S5中，由有限元分析软件根据试验子模型的位移和刚度确定下一级荷载的大小，并将加载信号发送给试验控制系统，试验控制系统按照收到的加载信号对试验子模型下一级加载，并收集试验模型的位移信号给有限元分析软件，以利有限元分析软件确定下一次的加载信号。
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