CN113010940A - 一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法 - Google Patents

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CN113010940A CN202110208114.5A CN202110208114A CN113010940A CN 113010940 A CN113010940 A CN 113010940A CN 202110208114 A CN202110208114 A CN 202110208114A CN 113010940 A CN113010940 A CN 113010940A
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Abstract

本发明涉及一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法，是一种二维凸多边形混凝土粗骨料生成、判断粗骨料之间、粗骨料与型钢之间是否互相重叠的方法，投放粗骨料时模型内部能够预留型钢构造孔洞，是细观型钢混凝土有限元建模的辅助(前置)方法。该方法有如下特点：(1)使用凸多边形模拟混凝土粗骨料且骨料参数可调；(2)可根据需求建立包含各种形状型钢的细观混凝土模型；(3)基于MATLAB命令，模型生成速度快；(4)在投放时使用投放点标记方法，简化了判断步骤和投放位置的确定，进一步加快模型生成速度。

Description

一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法
技术领域
本发明涉及一种建模方法，尤其是涉及一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法。
背景技术
随着建造技术和材料科学的发展，钢混组合结构逐渐受到工程界的重视，其经济效益高，防火抗灾能力强等特点，使得钢混组合结构广泛应用于超高层建筑当中。在现有超高层建筑中，多采用钢-混凝土组合柱-剪力墙的混合结构，其中型钢混凝土柱(SteelReinforced Concrete，简称SRC)为常用的钢混组合构件。在封闭型钢混凝土柱中，一方面，由于内部混凝土受到封闭型钢的包裹，组合柱承受压荷载，其内部混凝土为三相受压状态，抗压强度有所提高；另一方面型钢混凝土柱外部受到混凝土包裹，其耐久性和防火性能也高于普通混凝土。
型钢混凝土柱除受到房屋荷载作用外，还受到包括混凝土收缩徐变、地基沉降、温度变化等导致的次应力，特别是不同构件之间的长期时变差异，将在结构内部产生大量次应力。其中由混凝土收缩徐变导致的构件变形会在建筑使用过程中逐渐累积，导致构件之间的应力重新分配，将降低结构的使用性能以及安全性能。如水平构件倾斜、楼板和墙体开裂、外观装饰破损、幕墙和设备损坏等一系列问题，严重的甚至会导致结构破坏。因此准确预测超高层结构建造和使用阶段的收缩徐变效应是工程界研究的重点问题。
混凝土收缩徐变容易受到环境因素的影响，其中环境的相对湿度是一个重要的影响因素。因为混凝土内部和周围环境之间存在湿度差时，混凝土内部水分会逐渐散失在环境中，增加混凝土的收缩徐变值，研究表明50％相对湿度的环境中，混凝土的收缩徐变值是环境湿度为90％时的2到3倍。
所以为了研究混凝土的收缩徐变效应必须研究混凝土内部的湿度分布。然而型钢混凝土中的型钢形状会影响混凝土中水分传输的路径，导致型钢混凝土中的湿度分布与普通钢筋混凝土的湿度分布不同。目前在型钢混凝土构件设计中，并没有考虑型钢对于混凝土湿度扩散的阻碍作用，因此用普通混凝土柱的收缩徐变模型计算，会高估SRC构件的竖向变形。另一方面，目前的收缩徐变预测模型均将构件截面按同一湿度考虑，忽略了截面上的湿度差异，对于部分开敞、部分闭合式的型钢混凝土巨型组合柱而言，在预测构件时变变形时会产生较大的误差。
混凝土中除了型钢会影响水分传输外，混凝土内部骨料的集配，粒型、杂志含量，填充率均会影响水分的传输。骨料在混凝土内部对水分传输起阻碍作用，由于混凝土内水分主要集中在砂浆中。因此混凝土内部砂浆随着骨料填充率增大而减小，导致混凝土内部多余水分便越少，但水分从混凝土内部传输到混凝土外部也越困难；相反，混凝土内部砂浆随着骨料填充率减少而增加，相应的混凝土内部水分越多，对应的水分从混凝土内部向外传输便越容易。
为了研究型钢混凝土内部的水分传输和湿度分布，因此必须建立混凝土细观模型，在模型中分别建立型钢单元、骨料单元和砂浆单元，使得可以在模型中同时考虑骨料和型钢对混凝土中水分传输的影响。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：确定投放区域，并于区域中生成均匀分布的投放点；
步骤2：确定型钢分布位置和大小，根据型钢位置和大小将型钢分解为若干矩形；
步骤3：利用级配曲线生成椭圆模板，在每一个椭圆模板上随机取点，并依次连接生成多边形骨料；
步骤4：将多边形骨料按照面积进行排序，并基于随机选择的投放点按面积从大到小依次投放；
步骤5：判断骨料所有顶点是否在投放区域内；
步骤6：若步骤5中的判断为是，则进一步判断骨料边界与型钢边界是否存在交点；
步骤7：若步骤6中的判断为否，则进一步判断骨料顶点与型钢顶点是否相互包含于彼此内部；
步骤8：若步骤7中的判断为否，则进一步判断当前正在投放的骨料边界与已投放的骨料边界是否存在交点；
步骤9：若步骤8中的判断为否，则删除骨料投放成功后对应所占用的投放点；
步骤10：利用剩余投放点投放剩余骨料直至所有骨料投放完毕，至此细观型钢混凝土柱截面建模完毕。
进一步地，所述的步骤1中投放区域内各个投放点之间的距离小于等于1mm。
进一步地，所述的步骤3包括以下分步骤：
步骤301：根据混凝土级配曲线生成符合粒径大小的椭圆模板，随后将所有椭圆模板圆心放置于坐标原点上，在每一个椭圆模板上随机取点；
步骤302：将椭圆模板上的点按照逆时针方向依次连接起来，得到凸多边形骨料，随后放大多边形骨料使其与对应椭圆模板面积相等，并使生成骨料符合级配曲线；
步骤303：控制骨料的面积与对应的椭圆模板面积之比大于0.5，否则重新在对应椭圆模板上取点，重新生成多边形骨料以使得骨料形状保持随机又能保证不出现针片状骨料。
进一步地，所述的步骤5包括以下分步骤：
步骤501：将骨料投放区域顶点坐标保存为列向量，并与多边形骨料的每一个顶点坐标相结合代入MATLAB中的inpolygon命令中；
步骤502：判断所有返回值是否全部为1，若判断为否，则重新选择投放点，若判断为是，则骨料所有顶点在投放区域内。
进一步地，所述的步骤6包括以下分步骤：
步骤601：将骨料顶点坐标保存为列向量，任选一个步骤2中由型钢分解得到的矩形，将该型钢矩形的顶点坐标保存为另一组列向量；
步骤602：将两组列向量相结合代入MATLAB中的polyxpoly命令中，判断返回的列向量的长度是否为0，若判断为否，则多边形骨料与型钢矩形存在交点，需要重新选取投放点，并重新投放该多边形骨料，若判断为是，则多边形骨料与型钢矩形没有交点；
步骤603：依次把所有型钢矩形与该多边形骨料使用polyxpoly命令进行判断，直到所有返回值的长度均为0，则多边形骨料与型钢矩形相离。
进一步地，所述的步骤7包括以下分步骤：
步骤701：将骨料顶点坐标保存为列向量，任选一个步骤2中由型钢分解得到的矩形，将该型钢矩形的顶点坐标保存为另一组列向量；
步骤702：将多边形骨料的每一个顶点坐标依次使用inpolygon命令判断是否在型钢矩形内部，若存在返回值为1，则多边形骨料存在顶点在型钢矩形内部，该多边形骨料需重新选择投放点，若所有返回值均为0，则多边形骨料所有顶点在型钢矩形外部；
步骤703：将型钢矩形的每一个顶点坐标依次使用inpolygon命令判断是否在多边形骨料内部，若存在返回值为1，则型钢矩形存在顶点在多边形骨料内部，该多边形骨料需重新选择投放点，若所有返回值均为0，则型钢矩形所有顶点在多边形骨料外部。
进一步地，所述的步骤8包括以下分步骤：
步骤801：将正在投放骨料的顶点坐标保存为列向量，任选一个已投放成功的多变形骨料，将其顶点坐标保存为另一组列向量；
步骤802：将两组列向量相结合代入MATLAB中的polyxpoly命令中，判断返回的列向量的长度是否为0，若判断为否，则正在投放的多边形骨料与已投放的多边形骨料存在交点，需要重新选取投放点，并重新投放该多边形骨料，若判断为是，则正在投放的多边形骨料与已投放的多边形骨料没有交点。
进一步地，所述的步骤9具体包括：
当成功投放一个多边形骨料时，将该多边形骨料的顶点坐标保存为列向量，对剩余的每一个投放点坐标使用inpolygon命令筛选该骨料内部的投放点；若返回值为1则删除该投放点。
进一步地，所述的步骤1中的投放区域的形状为矩形或多边形。
进一步地，所述的步骤5中还包括：当判断为否时，返回随机选择一个投放点投放一个面积最大的骨料；所述的步骤6中还包括：当判断为是时，返回随机选择一个投放点投放一个面积最大的骨料；所述的步骤7中还包括：当判断为是时，返回随机选择一个投放点投放一个面积最大的骨料；所述的步骤8中还包括：当判断为是时，返回随机选择一个投放点投放一个面积最大的骨料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)使用凸多边形模拟混凝土粗骨料且骨料参数可调能够根据模型参数生成多边形骨料和型钢几何数据，并将多边形骨料投放在模型指定区域内，使多边形骨料与骨料之间，骨料与型钢之间相互分离，防止出现交叉，包含的情况出现；
(2)可根据需求建立包含各种形状型钢的细观混凝土模型；
(3)基于MATLAB命令，模型生成速度快；
(4)在投放时使用投放点标记方法，简化了判断步骤和投放位置的确定，进一步加快模型生成速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中多边形骨料形状控制示意图，其中，图1(a)为针片状骨料，图1(b)为合格骨料；
图2为本发明实施例中多边形重叠示意图，其中，图2(a)为穿插情形，图2(b)为包含情形，图2(c)为嵌入一情形，图2(d)为嵌入二情形；
图3为本发明实施例中型钢分割示意图；
图4为本发明实施例中投放点方法示意图，其中，图4(a)为不可能投放情况下的示意图，图4(b)为剩余投放点情况下的示意图；
图5为本发明实施例中型钢混凝土骨料投放流程图；
图6为本发明实施例中60％骨料填充率示意图；
图7为本发明实施例中50％骨料填充率示意图；
图8为本发明实施例中40％骨料填充率示意图；
图9为本发明实施例中30％骨料填充率示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明技术原理如下：
1、骨料生成
本发明首先需要生成符合模型要求的二维多边形骨料。首先根据混凝土级配曲线生成符合粒径大小的椭圆模板，随后将所有椭圆模板圆心放在坐标原点上，在每一个椭圆模板上随机取点，取点数为3到10之间。将椭圆模板上的点按照逆时针方向依次连接起来，得到凸多边形骨料，如图1(b)所示，随后放大多边形骨料使骨料与对应椭圆模板面积相等，使生成骨料符合级配曲线。此时凸多边形骨料由于随机取点，出现大量针片状骨料，如图1(a)所示。此多边形骨料类似于针状，这种情况在实际工程中是不允许的，为了使骨料形状保持随机又能保证不出现针片状骨料，此处使用一种面积控制法：控制骨料的面积与对应的椭圆模板面积之比λ不小于0.5，当λ越接近1时，多边形骨料的形状会越接近椭圆模板，当λ越接近0时，多边形骨料形状越接近针片状。
2、多边形与多边形相离判断方法
多边形与多边形重叠时位置关系有四种，穿插、包含、嵌入一、嵌入二。穿插时，两个多边形之间有交点，但是任意一个多边形的顶点都没有在另一个多边形内部，如图2(a)所示。当两个多边形为包含关系时，其中一个多边形被完全包含在另一个多边形内部，包括所有的点和线如图2(b)所示。当多边形为嵌入关系时，嵌入一情况为有一个多边形存在顶点在另一个多边形内部，嵌入二情况为两个多边形互相均存在顶点在对方内部，如图2(c)和图2(d)所示。
在此，本方法使用两个MATLAB命令进行两个多边形的重叠判断，在此介绍两个MATLAB内部函数polyxpoly和inpolygon的效果和使用方法。
Polyxpoly命令为判断两个线段是否在交点的函数，命令格式如下：
[xi,yi]＝polyxpoly(x1,y1,x2,y2)
其中x1和y1为线段一的节点坐标列向量，一条线段最少需要两个节点坐标，最多没有限制。其中x2和y2为线段二的节点坐标列向量，最少需要两个节点坐标，最多没有限制。xi和yi为函数计算后的返回值，若两条线段存在交点时，xi和yi分别为交点坐标的列向量。当两条线段没有交点时，xi和yi为长度为0的列向量。
inpolygon命令为判断一个点坐标是否在一个封闭的多边形内部的函数，命令格式如下：
in＝i？npolygon(xq yq xv yv)
其中xq和yq为需要判断的点坐标，xv和yv为多边形的节点坐标列向量。in为inpolygon命令的返回值，若点(xq，yq)在多边形内，则in值为1，若点(xq，yq)在多边形外，则in为0。
首先将多边形重叠时的情况简化为两种情况：两个多边形之间存在交点和不存在交点。
情况一：若两个多边形之间有交点存在，如图2(a)、图2(c)和图2(d)所示。使用polyxpoly命令进行判断，将多边形一所有顶点按顺序存入(x1，y1)向量中，多边形二所有顶点按顺序存入(x2，y2)向量中，判断返回值xi或者yi的长度，若返回值xi或yi长度为0，则两个多边形不相交，若返回值xi或yi长度不为0，则两个多边形相交。
情况二：若两个多边形之间没有交点存在，如图2(b)所示。将多边形一的所有节点依次使用inpolygon命令判断是否在多边形二里面，若出现任意一次返回值为1，则多边形一在多边形二内部，若返回值全部为0，则多边形一在多边形二外部。随后相反地，将多边形二的所有节点依次使用inpolygon命令判断是否在多边形一里面，若出现任意一次返回值为1，则多边形二在多边形一内部，若返回值全部为0，则多边形二在多边形一外部。只有当两种判断的所有返回值全部为0，则两个多边形没有相互包含。
3、骨料与型钢重叠判断方法
型钢的形状较为复杂，且不同截面有不同的型钢分布。本发明中将型钢分解为横向和竖向的矩形，如图3所示，将型钢分解为4个矩形，则在判断时，可将矩形看为多边形的一种，使用polyxpoly命令将4个矩形分别与多边形骨料进行重叠判断，当返回值xi或yi长度为0时，型钢与多边形骨料没有交叉，当返回值xi或yi长度不为0时，型钢与多边形骨料交叉。
当多边形骨料与型钢矩形没有交叉时，再使用Inpolygon命令判断多边形骨料和型钢矩形是否相互包含，若返回值in全部为0时，型钢矩形与多边形骨料没有发生包含情况，若返回值in出现1时，型钢与多边形发生包含情况。
4、两个交叉骨料重叠判断方法
将多边形骨料一的顶点坐标x、y保存成一组列向量
Figure BDA0002951577060000081
和
Figure BDA0002951577060000082
将多边形骨料二的顶点坐标x、y保存成一组列向量
Figure BDA0002951577060000083
和
Figure BDA0002951577060000084
使用polyxpoly命令，如：
[xi,yi]＝polyxpoly(x1,y1,x2,y2)
若返回值xi和yi为长度为0的列向量，则两个多边形骨料没有交点，若返回值xi和yi为长度是不为0的列向量，则两个多边形骨料存在交点。
5、投放点标记
在骨料投放区域均匀布满投放点，投放点密度可以自定义，例如1mm一个投放点，当骨料随机投放时，随机选取一个投放点，将骨料形心位置放置于投放点，若多边形骨料没有与型钢及其他任意骨料重合时，认为骨料投放成功，此时使用Inpolygon命令对骨料周围投放点进行判断，若投放点在骨料内部，则删除投放点。由于骨料内部的投放点被删除，所以下一个骨料投放时不会直接投放在已经投放成功的骨料内部，只会投放在剩余的投放点上，此时不需要判断，骨料是否会相互包含，因为此方法已经完全避免了此种情况出现，如图4(a)所示。
在投放点删除后，剩余投放点会随着投放数量的增加而减少，且投放点全部在成功投放骨料的外部，使得投放时的成功率显著提高，不会出现长时间投放骨料到已占用区域的情况，大大加快了骨料投放的速率和成功率，如图4(b)所示。
6、具体实施流程，如图5所示：
1)、确定投放区域，投放区域为长宽M*N mm的矩形或者其他多边形形状。
2)、在区域中生成均匀分布的投放点，投放点与点之间的距离建议小于等于1mm，使得投放骨料能够出现在投放区域的所有位置，骨料只会投放在存在投放点的位置，没有投放点的区域不会投放骨料。
所述投放区域为型钢混凝土模型所在区域。
3)、确定型钢分布位置和大小，根据型钢位置和大小将型钢分解为若干矩形。
4)、利用级配曲线生成椭圆模板，在每一个椭圆模板上随机取点，并逆时针方向将椭圆模板上的点依次连接生成多边形骨料。多边形骨料的面积与对应椭圆模板的面积之比应大于0.5，否则重新在对应椭圆模板上取点，重新生成多边形骨料，直到多边形骨料与对应椭圆模板面积之比大于0.5。再放大多边形骨料，使多边形骨料与对应的椭圆模板面积相等，使多边形骨料大小符合级配曲线。
5)、将多边形骨料面积按照从大到小的顺序排序。
6)、选取面积最大的一个多边形骨料进行投放。
7)、随机选取一个投放点，将多边形形心投放在该投放点位置。
8)、利用inpolygon命令判断多边形骨料是否在骨料区域内。
将骨料投放区域顶点坐标x、y坐标保存成一组列向量
Figure BDA0002951577060000091
和
Figure BDA0002951577060000092
将多边形的每一个顶点x、y坐标带入inpolygon命令中：
in＝inpolygon(x,y,xv,yv)
判断所有返回值in是否全部为1，若不全为1，则重新选择投放点，若全部为1，则该多边形骨料在投放区域内。进入下一步。
9)、利用polyxpoly命令判断骨料边界与型钢边界是否存在交点。
将骨料顶点坐标x、y保存成一组列向量
Figure BDA0002951577060000093
和
Figure BDA0002951577060000094
任选一个型钢分解成的矩形，将该型钢矩形顶点坐标x、y保存成一组列向量
Figure BDA0002951577060000095
和
Figure BDA0002951577060000096
使用polyxpoly命令：
[xi,yi]＝polyxpoly(x1,y1,x2,y2)
若返回值xi和yi为长度为0的列向量，则多边形骨料与型钢矩形没有交点，若返回值xi和yi为长度是不为0的列向量，则多边形骨料与型钢矩形存在交点，需要重新选取投放点重新投放该多边形骨料。
依次把所有型钢矩形与该多边形骨使用polyxpoly命令进行判断，直到所有返回值长长度均为0，则多边形骨料与型钢矩形相离，进入下一步。
10)、利用inpolygon判断多边形骨料顶点与型钢顶点是否相互包含在内部
将骨料顶点坐标x、y保存成一组列向量
Figure BDA0002951577060000101
和
Figure BDA0002951577060000102
任选一个型钢分解成的矩形，将该矩形顶点坐标x、y保存成一组列向量
Figure BDA0002951577060000103
和
Figure BDA0002951577060000104
将多边形骨料的每一个顶点坐标x、y依次使用inpolygon命令判断是否在型钢矩形内部，如：
in＝i？npolygon(x y x2 y2)
若存在返回值in为1，则多边形骨料存在顶点在型钢矩形内部，该多边形骨料需重新选择投放点。若所有返回值in均为0，则多边形骨料存所有顶点在型钢矩形外部，进入下一步。
将型钢矩形的每一个顶点坐标x、y依次使用inpolygon命令判断是否在多边形骨料内部，如：
in＝i？npolygon(x y x1 y1)
若存在返回值in为1，则型钢矩形存在顶点在多边形骨料内部，该多边形骨料需重新选择投放点。若所有返回值in均为0，则型钢矩形存所有顶点在多边形骨料外部，进入下一步。
11)、利用polyxpoly判断骨料边界与已有骨料边界是否存在交点。
第一个多边形骨料不需要进行该判断，直接进入下一步，因为投放区域内不存在已投放多边形骨料，所以不存在与已投放多边形骨料重叠的情况。
当投放第二个骨料及其以上时，利用polyxpoly命令判断是否与已投放骨料存在交点。
将正在投放骨料的顶点坐标x、y保存成一组列向量
Figure BDA0002951577060000105
和
Figure BDA0002951577060000106
任选一个已投放成功的多边形骨料，将该多边形骨料顶点坐标x、y保存成一组列向量
Figure BDA0002951577060000107
和
Figure BDA0002951577060000108
使用polyxpoly命令，如：
[xi,yi]＝polyxpoly(x1,y1,x2,y2)
若返回值xi和yi为长度为0的列向量，则正在投放的多边形骨料与已投放的多边形骨料没有交点，若返回值xi和yi为长度是不为0的列向量，则正在投放的多边形骨料与已投放的多边形骨料存在交点，需要重新选取投放点重新投放该多边形骨料。
若正在投放的多边形骨料与已投放的所有多边形骨料均无交点，则投放成功，进入下一步。
12)、删除骨料投放成功后已占用投放点
当成功投放一个多边形骨料时，则使用inpolygon命令筛选该骨料内部的投放点，将该多边形骨料的顶点坐标x、y保存为一组列向量
Figure BDA0002951577060000111
和
Figure BDA0002951577060000112
对剩余的每一个投放点坐标x、y使用命令：
in＝i？npolygon(x y x1 y1)
若返回值in为1，则删除该投放点。
删除多边形骨料内部的投放点后，下一个投放的多边形骨料便不会投放在已存在的多边形骨料内部，又因为多边形投放时是按照面积从大到小的顺序投放的，所以后投放的多边形骨料也不会存在将已投放的多边形骨料包含在内的情况，因此不需要使用inpolygon命令判断两个多边形骨料是否相互包含。
同时，随着成功投放骨料的增加，投放区域内可使用的空白空间会逐渐减少，若不使用投放点标记，完全随机投放骨料，后面投放的骨料会大概率投放在已占用区域，会大量增加投放时间。使用剩余投放点投放骨料能保证骨料大概率投放在可用区域，只需使用polyxpoly进行骨料交叉判断就完全足够，大大提高了骨料投放效率。
13)、投放完所有多边形骨料后，程序执行完毕。
7、算例
一个混凝土柱截面，截面大小为200mm×200mm，采用本发明方法得到的混凝土柱截面如图6、图7、图8和图9所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：确定投放区域，并于区域中生成均匀分布的投放点；
步骤2：确定型钢分布位置和大小，根据型钢位置和大小将型钢分解为若干矩形；
步骤3：利用级配曲线生成椭圆模板，在每一个椭圆模板上随机取点，并依次连接生成多边形骨料；
步骤4：将多边形骨料按照面积进行排序，并基于随机选择的投放点按面积从大到小依次投放；
步骤5：判断骨料所有顶点是否在投放区域内；
步骤6：若步骤5中的判断为是，则进一步判断骨料边界与型钢边界是否存在交点；
步骤7：若步骤6中的判断为否，则进一步判断骨料顶点与型钢顶点是否相互包含于彼此内部；
步骤8：若步骤7中的判断为否，则进一步判断当前正在投放的骨料边界与已投放的骨料边界是否存在交点；
步骤9：若步骤8中的判断为否，则删除骨料投放成功后对应所占用的投放点；
步骤10：利用剩余投放点投放剩余骨料直至所有骨料投放完毕，至此细观型钢混凝土柱截面建模完毕。
2.根据权利要求1所述的一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法，其特征在于，所述的步骤1中投放区域内各个投放点之间的距离小于等于1mm。
3.根据权利要求1所述的一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法，其特征在于，所述的步骤3包括以下分步骤：
步骤301：根据混凝土级配曲线生成符合粒径大小的椭圆模板，随后将所有椭圆模板圆心放置于坐标原点上，在每一个椭圆模板上随机取点；
步骤302：将椭圆模板上的点按照逆时针方向依次连接起来，得到凸多边形骨料，随后放大多边形骨料使其与对应椭圆模板面积相等，并使生成骨料符合级配曲线；
步骤303：控制骨料的面积与对应的椭圆模板面积之比大于0.5，否则重新在对应椭圆模板上取点，重新生成多边形骨料以使得骨料形状保持随机又能保证不出现针片状骨料。
4.根据权利要求1所述的一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法，其特征在于，所述的步骤5包括以下分步骤：
步骤501：将骨料投放区域顶点坐标保存为列向量，并与多边形骨料的每一个顶点坐标相结合代入MATLAB中的inpolygon命令中；
步骤502：判断所有返回值是否全部为1，若判断为否，则重新选择投放点，若判断为是，则骨料所有顶点在投放区域内。
5.根据权利要求1所述的一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法，其特征在于，所述的步骤6包括以下分步骤：
步骤601：将骨料顶点坐标保存为列向量，任选一个步骤2中由型钢分解得到的矩形，将该型钢矩形的顶点坐标保存为另一组列向量；
步骤602：将两组列向量相结合代入MATLAB中的polyxpoly命令中，判断返回的列向量的长度是否为0，若判断为否，则多边形骨料与型钢矩形存在交点，需要重新选取投放点，并重新投放该多边形骨料，若判断为是，则多边形骨料与型钢矩形没有交点；
步骤603：依次把所有型钢矩形与该多边形骨料使用polyxpoly命令进行判断，直到所有返回值的长度均为0，则多边形骨料与型钢矩形相离。
6.根据权利要求1所述的一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法，其特征在于，所述的步骤7包括以下分步骤：
步骤701：将骨料顶点坐标保存为列向量，任选一个步骤2中由型钢分解得到的矩形，将该型钢矩形的顶点坐标保存为另一组列向量；
步骤702：将多边形骨料的每一个顶点坐标依次使用inpolygon命令判断是否在型钢矩形内部，若存在返回值为1，则多边形骨料存在顶点在型钢矩形内部，该多边形骨料需重新选择投放点，若所有返回值均为0，则多边形骨料所有顶点在型钢矩形外部；
步骤703：将型钢矩形的每一个顶点坐标依次使用inpolygon命令判断是否在多边形骨料内部，若存在返回值为1，则型钢矩形存在顶点在多边形骨料内部，该多边形骨料需重新选择投放点，若所有返回值均为0，则型钢矩形所有顶点在多边形骨料外部。
7.根据权利要求1所述的一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法，其特征在于，所述的步骤8包括以下分步骤：
步骤801：将正在投放骨料的顶点坐标保存为列向量，任选一个已投放成功的多变形骨料，将其顶点坐标保存为另一组列向量；
步骤802：将两组列向量相结合代入MATLAB中的polyxpoly命令中，判断返回的列向量的长度是否为0，若判断为否，则正在投放的多边形骨料与已投放的多边形骨料存在交点，需要重新选取投放点，并重新投放该多边形骨料，若判断为是，则正在投放的多边形骨料与已投放的多边形骨料没有交点。
8.根据权利要求1所述的一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法，其特征在于，所述的步骤9具体包括：
当成功投放一个多边形骨料时，将该多边形骨料的顶点坐标保存为列向量，对剩余的每一个投放点坐标使用inpolygon命令筛选该骨料内部的投放点；若返回值为1则删除该投放点。
9.根据权利要求1所述的一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法，其特征在于，所述的步骤1中的投放区域的形状为矩形或多边形。
10.根据权利要求1所述的一种可控参数的细观型钢混凝土柱截面建模方法，其特征在于，所述的步骤5中还包括：当判断为否时，返回随机选择一个投放点投放一个面积最大的骨料；所述的步骤6中还包括：当判断为是时，返回随机选择一个投放点投放一个面积最大的骨料；所述的步骤7中还包括：当判断为是时，返回随机选择一个投放点投放一个面积最大的骨料；所述的步骤8中还包括：当判断为是时，返回随机选择一个投放点投放一个面积最大的骨料。
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