CN113641945B - 倾斜框架性能状态评估方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种倾斜框架性能状态评估方法及系统，该方法首先获取倾斜框架各层的侧向位移、横梁转角、有损层间位移角以及不同性能状态对应的有损层间位移角限值，然后判断各层框架的性能状态，进而评估倾斜框架的整体性能状态。该方法及系统有利于准确评估倾斜框架的性能状态。

Description

倾斜框架性能状态评估方法及系统
技术领域
本发明属于建筑结构领域，具体涉及一种倾斜框架性能状态评估方法及系统。
背景技术
建筑结构作为人类生活、生产、仓储的重要载体，出于安全的需要，其性能状态需要得到合理有效的评估。在建筑结构中，倾斜框架采用框架柱沿建筑高度方向倾斜的形式，这样不仅能达到结构合理受力与建筑美学的融合，而且可以避免出现复杂的水平转换结构。但是，由于框架柱沿建筑高度方向的倾斜布置，其结构受力与变形情况相对于普通的垂直框架会更加复杂。所以，倾斜框架的结构性能状态需要一种可行的方法来进行有效地评估。
目前，各国的建筑结构设计规范提出可以通过层间位移角θ来评估框架结构的性能状态。以常见的钢筋混凝土框架为例，《建筑抗震设计规范》规定其弹性状态的各层层间位移角限值[θe]＝1/550，弹塑性状态的各层层间位移角限值[θp]＝1/50。当θ<[θe]时，结构处于弹性状态；当[θe]<θ<[θp]时，结构处于弹塑性状态；当θ>[θp]时，结构处于极限状态。
由于垂直框架结构的层间位移角完全是由层间受力变形所引起，所以现有的基于层间位移角的结构性能状态评估方法能够有效地评估垂直框架结构的性能状态。
对于倾斜框架这种斜柱结构，侧向变形下倾斜框架的横梁会发生转动，这会导致倾斜框架的层间位移角不仅包括层间受力变形引起的层间受力位移角，还包括横梁转动引起的层间刚体位移角。其中，横梁转动引起的层间刚体位移角与结构的弹塑性受力损伤无关，只有受力位移角才与倾斜框架的弹塑性受力损伤相关。
因此，使用层间位移角来评估倾斜结构性能状态存在以下3个缺点：1、现有方法无法考虑倾斜框架倾角对层间变形组成与层间极限能力的影响，无法准确地评估倾斜框架的性能状态。2、倾斜框架的层间位移角包含了与结构损伤无关的层间刚体位移角，基于层间位移角的倾斜框架性能状态评估结果将存在较大误差且结果较为保守。3、现有方法各种性能状态所对应的层间位移角限值是固定的，这不能考虑具有不同倾角的倾斜框架性能状态指标限值不同的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种倾斜框架性能状态评估方法及系统，该方法及系统有利于准确评估倾斜框架的性能状态。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种倾斜框架性能状态评估方法，首先获取倾斜框架各层的侧向位移、横梁转角、有损层间位移角以及不同性能状态对应的有损层间位移角限值，然后判断各层框架的性能状态，进而评估倾斜框架的整体性能状态。
进一步地，该方法包括以下步骤：
S1、设置倾斜框架的层数N和框架最底层的侧向位移D0；
S2、获取倾斜框架第n-1层、第n层的侧向位移Dn-1、Dn，进而获取倾斜框架第n-1层的横梁转角Rn-1以及倾斜框架第n层的有损层间位移角ψn，n∈[1,2,3,…,N]；同时获取倾斜框架第n层的有损层间位移角弹性限值[ψen]和有损层间位移角塑性限值[ψpn]；
S3、判断n是否不大于N，是则转步骤S4，否则转步骤S6；
S4、判断有损层间位移角ψn是否小于弹性限值[ψen]，是则判定倾斜框架第n层处于弹性状态，然后令n＝n+1，并返回步骤S2继续评估下一层的性能状态；否则转步骤S5；
S5、判断有损层间位移角ψn是否小于塑性限值[ψpn]，是则判定倾斜框架第n层处于塑性状态，然后令n＝n+1，并返回步骤S2继续评估下一层的性能状态；否则判定倾斜框架处于破坏状态，评估结束；
S6、判断是否倾斜框架任意层的有损层间位移角ψi都小于相应层的有损层间位移角弹性限值[ψei]，i∈[1,2,3,…,N]，是则判定倾斜框架的整体性能状态为弹性状态，评估结束；否则转步骤S7；
S7、判断是否至少存在一层框架的有损层间位移角ψj小于相应层的有损层间位移角弹性限值[ψpj]，j∈[1,2,3,…,N]，是则判定倾斜框架的整体性能状态为弹塑性状态，评估结束；否则判定倾斜框架的整体性能状态为塑性状态，评估结束。
进一步地，步骤S2中，倾斜框架各层的侧向位移通过位移计直接测得。
进一步地，步骤S2中，倾斜框架各层的横梁转角通过倾角仪直接测得，或通过解析公式计算得到。
进一步地，步骤S2中，倾斜框架第n层的有损层间位移角ψn的计算方法为：
其中，hn为倾斜框架第n层的层高。
进一步地，步骤S2中，先获取倾斜框架第n层的倾角αn，基于此获取倾斜框架第n层的倾角影响系数ηn，进而计算得到倾斜框架第n层的有损层间位移角弹性限值[ψen]和有损层间位移角塑性限值[ψpn]。
进一步地，获取倾斜框架的倾角影响系数，包括以下步骤：
S201、设置框架倾角的初始值α0、框架倾角的变化值Δα以及算例总数M；
S202、计算第m个算例的框架倾角αm＝αm-1+Δα，m∈[1,2,3,…,M]；
S203、计算倾角为αm的框架算例对应的侧推破坏位移Dαm；
S204、计算框架倾角为αm时的倾角影响系数ηm＝Dαm/D90°，其中，D90°为框架倾角为90°的框架算例的侧推破坏位移；
S205、输出第m个算例的框架倾角αm和倾角影响系数ηm，并判断m是否不小于M，是则令m＝m+1，并返回步骤S202继续计算下一个算例的框架倾角，否则转步骤S206；
S206、以得到的所有框架倾角和倾角影响系数，拟合得到以框架倾角α为自变量的倾角影响系数函数η＝f(α)；
S207、基于得到的倾角影响系数函数，分别输入倾斜框架各层的倾角，即得到倾斜框架各层的倾角影响系数。
进一步地，倾斜框架第n层的有损层间位移角弹性限值[ψen]和有损层间位移角塑性限值[ψpn]的计算方法为：
先确定垂直框架的层间位移角弹性限值[θe]、弹塑性限值[θp]，然后计算倾斜框架第n层的层间受力位移角弹性限值[ψen]、弹塑性限值[ψpn]：
[ψen]＝ηn[θe]
[ψpn]＝ηn[θp]。
本发明还提供了一种倾斜框架性能状态评估系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提出了一种倾斜框架性能状态评估方法及系统，该方法及系统可以考虑倾角对倾斜框架层间变形组成与层间极限能力的影响，准确地评估侧向变形下倾斜框架实际的性能状态，并且解决了不同倾角的倾斜框架性能状态指标限值不同的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的方法实现流程图。
图2是本发明实施例中获取倾斜框架各层的侧向位移和横梁转角的示意图。
图3是本发明实施例中倾斜框架第n层横梁间变形示意图。
图4是本发明实施例中获取倾斜框架的倾角影响系数的实现方法流程图。
图3中：1—第n层框架柱，2—第n层横梁，3—第n-1层横梁。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
对于一个N层的倾斜框架，本发明的结构性能状态评估思路是先评估分别评估第n层的性能状态，再基于所有N层的性能状态评估结果得到结构的整体性能状态。
本实施例提供了一种倾斜框架性能状态评估方法，首先获取倾斜框架各层的侧向位移、横梁转角、有损层间位移角以及不同性能状态对应的有损层间位移角限值，然后判断各层框架的性能状态，进而评估倾斜框架的整体性能状态。
如图1所示，该方法具体包括以下步骤：
S1、设置倾斜框架的层数N和框架最底层的侧向位移D0。
S2、获取倾斜框架第n-1层、第n层的侧向位移Dn-1、Dn，进而获取倾斜框架第n-1层的横梁转角Rn-1以及倾斜框架第n层的有损层间位移角ψn，n∈[1,2,3,…,N]。
如图2所示，在本实施例中，倾斜框架各层的侧向位移通过位移计直接测得。倾斜框架各层的横梁转角可以通过倾角仪直接测得，也可以通过解析公式计算得到。
基于如图3所示的变形状态，倾斜框架第n层的有损层间位移角ψn的计算方法为：
其中，hn为倾斜框架第n层的层高。
同时，获取倾斜框架第n层的有损层间位移角弹性限值[ψen]和有损层间位移角塑性限值[ψpn]，具体为：先获取倾斜框架第n层的倾角αn，基于此获取倾斜框架第n层的倾角影响系数ηn，进而计算得到倾斜框架第n层的有损层间位移角弹性限值[ψen]和有损层间位移角塑性限值[ψpn]。
其中，获取倾斜框架的倾角影响系数，如图4所示，包括以下步骤：
S201、设置框架倾角的初始值α0、框架倾角的变化值Δα以及算例总数M。算例总数M可以根据实际情况调整设定，M越大，拟合出来的结果精度越高。
S202、计算第m个算例的框架倾角αm＝αm-1+Δα，m∈[1,2,3,…,M]。
S203、计算倾角为αm的框架算例对应的侧推破坏位移Dαm。
S204、计算框架倾角为αm时的倾角影响系数ηm＝Dαm/D90°，其中，D90°为框架倾角为90°的框架算例的侧推破坏位移。
S205、输出第m个算例的框架倾角αm和倾角影响系数ηm，并判断m是否不小于M，是则令m＝m+1，并返回步骤S202继续计算下一个算例的框架倾角，否则转步骤S206。
S206、以得到的所有框架倾角和倾角影响系数，拟合得到以框架倾角α为自变量的倾角影响系数函数η＝f(α)。
S207、基于得到的倾角影响系数函数，分别输入倾斜框架各层的倾角，即得到倾斜框架各层的倾角影响系数。
倾斜框架第n层的有损层间位移角弹性限值[ψen]和有损层间位移角塑性限值[ψpn]的计算方法为：
1)先确定垂直框架的层间位移角弹性限值[θe]、弹塑性限值[θp]，可以通过相关规范或文献确定，也可以通过有限元分析求得。
2)再计算倾斜框架第n层的层间受力位移角弹性限值[ψen]、弹塑性限值[ψpn]：
[ψen]＝ηn[θe]
[ψpn]＝ηn[θp]。
S3、判断n是否不大于N，是则转步骤S4，否则转步骤S6。
S4、判断有损层间位移角ψn是否小于弹性限值[ψen]，是则判定倾斜框架第n层处于弹性状态，然后令n＝n+1，并返回步骤S2继续评估下一层的性能状态；否则转步骤S5。
S5、判断有损层间位移角ψn是否小于塑性限值[ψpn]，是则判定倾斜框架第n层处于塑性状态，然后令n＝n+1，并返回步骤S2继续评估下一层的性能状态；否则判定倾斜框架处于破坏状态，评估结束。
S6、判断是否倾斜框架任意层的有损层间位移角ψi都小于相应层的有损层间位移角弹性限值[ψei]，i∈[1,2,3,…,N]，是则判定倾斜框架的整体性能状态为弹性状态，评估结束；否则转步骤S7。
S7、判断是否至少存在一层框架的有损层间位移角ψj小于相应层的有损层间位移角弹性限值[ψpj]，j∈[1,2,3,…,N]，是则判定倾斜框架的整体性能状态为弹塑性状态，评估结束；否则判定倾斜框架的整体性能状态为塑性状态，评估结束。
本实施例还提供了一种倾斜框架性能状态评估系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种倾斜框架性能状态评估方法，其特征在于，首先获取倾斜框架各层的侧向位移、横梁转角、有损层间位移角以及不同性能状态对应的有损层间位移角限值，然后判断各层框架的性能状态，进而评估倾斜框架的整体性能状态；
所述倾斜框架性能状态评估方法包括以下步骤：
S1、设置倾斜框架的层数N和框架最底层的侧向位移D0；
S2、获取倾斜框架第n-1层、第n层的侧向位移Dn-1、Dn，进而获取倾斜框架第n-1层的横梁转角Rn-1以及倾斜框架第n层的有损层间位移角ψn，n∈[1,2,3,…,N]；同时获取倾斜框架第n层的有损层间位移角弹性限值[ψen]和有损层间位移角塑性限值[ψpn]；
S3、判断n是否不大于N，是则转步骤S4，否则转步骤S6；
S4、判断有损层间位移角ψn是否小于弹性限值[ψen]，是则判定倾斜框架第n层处于弹性状态，然后令n＝n+1，并返回步骤S2继续评估下一层的性能状态；否则转步骤S5；
S5、判断有损层间位移角ψn是否小于塑性限值[ψpn]，是则判定倾斜框架第n层处于塑性状态，然后令n＝n+1，并返回步骤S2继续评估下一层的性能状态；否则判定倾斜框架处于破坏状态，评估结束；
S6、判断是否倾斜框架任意层的有损层间位移角ψi都小于相应层的有损层间位移角弹性限值[ψei]，i∈[1,2,3,…,N]，是则判定倾斜框架的整体性能状态为弹性状态，评估结束；否则转步骤S7；
S7、判断是否至少存在一层框架的有损层间位移角ψj小于相应层的有损层间位移角弹性限值[ψpj]，j∈[1,2,3,…,N]，是则判定倾斜框架的整体性能状态为弹塑性状态，评估结束；否则判定倾斜框架的整体性能状态为塑性状态，评估结束；
步骤S2中，倾斜框架第n层的有损层间位移角ψn的计算方法为：
其中，hn为倾斜框架第n层的层高。
2.根据权利要求1所述的倾斜框架性能状态评估方法，其特征在于，步骤S2中，倾斜框架各层的侧向位移通过位移计直接测得。
3.根据权利要求1所述的倾斜框架性能状态评估方法，其特征在于，步骤S2中，倾斜框架各层的横梁转角通过倾角仪直接测得，或通过解析公式计算得到。
4.根据权利要求1所述的倾斜框架性能状态评估方法，其特征在于，步骤S2中，先获取倾斜框架第n层的倾角αn，基于此获取倾斜框架第n层的倾角影响系数ηn，进而计算得到倾斜框架第n层的有损层间位移角弹性限值[ψen]和有损层间位移角塑性限值[ψpn]。
5.根据权利要求4所述的倾斜框架性能状态评估方法，其特征在于，获取倾斜框架的倾角影响系数，包括以下步骤：
S201、设置框架倾角的初始值α0、框架倾角的变化值Δα以及算例总数M；
S202、计算第m个算例的框架倾角αm＝αm-1+Δα，m∈[1,2,3,…,M]；
S203、计算倾角为αm的框架算例对应的侧推破坏位移Dαm；
S204、计算框架倾角为αm时的倾角影响系数ηm＝Dαm/D90°，其中，D90°为框架倾角为90°的框架算例的侧推破坏位移；
S205、输出第m个算例的框架倾角αm和倾角影响系数ηm，并判断m是否不小于M，是则令m＝m+1，并返回步骤S202继续计算下一个算例的框架倾角，否则转步骤S206；
S206、以得到的所有框架倾角和倾角影响系数，拟合得到以框架倾角α为自变量的倾角影响系数函数η＝f(α)；
S207、基于得到的倾角影响系数函数，分别输入倾斜框架各层的倾角，即得到倾斜框架各层的倾角影响系数。
6.根据权利要求5所述的倾斜框架性能状态评估方法，其特征在于，倾斜框架第n层的有损层间位移角弹性限值[ψen]和有损层间位移角塑性限值[ψpn]的计算方法为：
先确定垂直框架的层间位移角弹性限值[θe]、弹塑性限值[θp]，然后计算倾斜框架第n层的层间受力位移角弹性限值[ψen]、弹塑性限值[ψpn]：
[ψen]＝ηn[θe]
[ψpn]＝ηn[θp]。
7.一种倾斜框架性能状态评估系统，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现如权利要求1-6任一项所述的方法步骤。
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