基于結構一體化的抗震設計系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及抗震設計領域，特別是涉及基于結構一體化的抗震設計系統。
【背景技術】
[0002]發生于2008年的我國汶川地震給國家經濟及人民生命財產造成巨大損失的同時，也凸顯出我國在罕遇地震條件下土木建筑結構物抗震設計方面的諸多短板。其中最為突出的問題是目前的抗震抗震設計軟件系統還是基于擬靜力法(結構物地震反應分析的發展過程可以大致分為:靜力法、反應譜法、動力時程分析法)，以彈性計算為主，按材料強度進行校驗，并且將上部結構和基礎分開來設計的。采用該方法設計出來的結構物存在諸多問題，無法抵御特大地震的襲擊，主要源于以下原因。
[0003]I)擬靜力法只能將地震動引起的慣性力的大小簡單地用靜荷載來代替，但不能考慮動荷載中頻率成分產生的影響。特別是當遇到特大地震時，強烈的動荷載造成結構物剛度的大幅降低而引起固有周期的增長，從而極大地影響到結構物的動力響應，而這種復雜的特性是無法通過擬靜力法加以考慮的。
[0004]2)結構物在強烈地震作用下，大部分將進入彈塑性變形階段，與彈性變形相比，過大的塑性變形會使結構開裂，混凝土脫落，甚至破壞；但另一方面，由于塑性階段的結構剛度降低，結構固有周期増大，改變了結構的地震反應特性，非彈性的不可恢復變形可以耗散輸入的地震能量，從而減小地震對結構的破壞；在非線性狀態下，結構是否破壞將取決于塑性變形能力或耗散能量的能力，而不取決于強度，強度條件并不能恰當地評價結構的抗震能力。
[0005]3)地震時上部結構和基礎是作為一個整體產生響應的。地震波是通過表層地基土進入基礎，從而上傳至上部結構引起振動而產生慣性動荷載的。而擬靜力設計法則將此過程顛倒過來，像降雨似地先假定上部結構的水平方向地震荷載的大小，地震力是自上而下傳遞，并將基礎和上部結構拆分開來設計的。這樣的設計處理，不能夠客觀地反映出地震時的共振效應，特別是切割了表層土場，基礎以及上部結構之間的動態聯系，極大地影響了設計的合理性，降低了設計精度。
[0006]近年來隨著我國經濟建設的快速發展，出現了各種形式的橋梁(如大跨度、超大跨度斜拉橋、懸索橋、拱橋及各種復雜的城市立交工程)。橋梁抗震設計中也涌現了眾多問題。從往年來的多次重大地震中對橋梁震害的調查研究結果表明，現在橋梁的破壞大多沿順橋向和橫橋向發生，而且順橋向震害尤其嚴重。通常可以觀測到橋梁地震破壞的形式有以下幾種典型:橋墩底部塑性鉸破壞，支座大變形剪切破壞，落梁破壞，以及地基失效等。因此，橋梁的抗震設計越來越受到重視。但是，相比于日本等多地震國家，我國對橋梁的抗震設計的應用還不成熟。因此，深入研究抗震設計在橋梁當中的應用及其存在的問題，也是一個很有意義的研究方向。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供基于結構一體化的抗震設計系統，摒棄了目前的彈性設計法而采用非線性或彈塑性方法，通過量化設計指標直觀地反映特大地震對結構物造成的損傷，并根據損傷程度采用不同的量化指標進行精確的自動校驗。
[0008]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:基于結構一體化的抗震設計系統，它包括以下一種或多種單元模塊。
[0009]①構件設定單元:包括表面土場地基設定模塊、上部構件設定模塊和下部構件設定模塊，表面土場地基設定模塊、上部構件設定模塊和下部構件設定模塊分別根據非線性特性或結構彈塑性設定表面土場地基條件、上部構件和下部構件參數。
[0010]②模型生成單元:基于構件數據庫中存儲的構件模型，根據構件設定單元所設定的條件和參數，將上部結構和下部結構作為整體進行數值模型化處理，生成結構一體化的工程結構模型。
[0011]所述模型生成單元采用等價能量法增加工程結構模型的安定性。
[0012]③地震動模擬單元:設定地震力強度，產生模擬地震波，將模擬地震波通過表層土場地基進入下部構件，再從下部構件上傳至上部構件，使得上部結構引起震動產生慣性動荷載。
[0013]④抗推倒解析單元，所述抗推倒解析單元用于根據構件及地基的非線性特性，通過抗推倒解析計算出各個構件的斷面力和變形，生成荷載-變位曲線，并確定各個構件的等價固有周期。
[0014]⑤損傷量化單元，所述損傷量化單元用于根據能量守恒原則換算出構件的最大設計位移，通過量化指標反映模擬地震對工程結構造成的損傷狀態。
[0015]⑥抗震校核單元，所述抗震校核單元用于將構件的最大設計位移與其在模擬地震中相對應的變形狀態進行校核；根據損傷狀態采用不同的量化指標進行自動校驗，定量評價上部構件損傷性能和下部構件的安定性能；
⑦位移控制單元，所述位移控制單元用于在模擬地震中，控制上部構件的位移，避免在地震力的作用下上部構件的實際位移較大而產生破壞。
[0016]⑧剪切破壞驗算單元，通過混凝土構件剪切破壞算法，驗算構件所需的剪切強度。
[0017]⑨人機交互界面，所述人機交互界面用于完成參數設置操作，展現模擬地震時，表層土場地基、下部結構和上部結構之間的動態聯系，完成抗震預測評估操作。
[0018]⑩監控管理數據庫，用于存儲各單元模塊產生的數據，以便后期管理分析以及外部接口的數據調用。
[0019]本發明的有益效果是:
本發明摒棄了目前的彈性設計法而采用非線性或彈塑性方法，通過量化設計指標直觀地反映特大地震對結構物造成的損傷，并根據損傷程度采用不同的量化指標進行精確的自動校驗，實現精準省力設計，最終達到科研成果轉換為生產力的目的。本發明系統攻克了以下難題。
[0020]I)考慮結構非線性特性的結構一體化計算因受剛度變化大的影響，不易收斂容易發散。為避免出現這種現象，通過模型生成單元合理設定工程結構模型并提高計算精度，減少收斂誤差。同時，針對剛度過于軟化(斜率平坦化)引起的計算不穩定問題，采用等價能量法來增加工程結構模型計算的安定性。
[0021]2)在抗推倒解析中采用變位漸增加載方式，解析計算出各個構件的斷面力和變形，生成荷載-變位曲線，并確定各個構件的等價固有周期。
[0022]3)通過位移控制單元用于在模擬地震中，控制上部構件的位移，避免在地震力的作用下上部構件的實際位移較大而產生破壞，如橋梁墩柱屈曲、落梁、構件相互碰撞等破壞。
[0023]4)為避免由于彎曲變形過大使混凝土嚴重開裂及剝落，造成混凝土的壓壞，應綜合考慮混凝土構件的強度試驗結果，提高構件損傷性能的校核精度，以確保抗彎構件具有足夠的延性性能。
[0024]5)根據以往地震災害的教訓，混凝土構件的剪切破壞是最致命性的，為預測墩柱所需的剪切強度，避免在軸力與彎矩作用下箍筋不足而引起的剪切破壞。通過剪切破壞驗算單元，采用混凝土構件剪切破壞算法，驗算構件所需的剪切強度。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明抗震設計系統的系統框圖；
圖2為本發明系統的工作流程示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護范圍不局限于以下所述。
[0027]如圖1所示，基于結構一體化的抗震設計系統，它包括以下一種或多種單元模塊。
[0028]①構件設定單元:包括表面土場地基設定模塊、上部構件設定模塊和下部構件設定模塊，表面土場地基設定模塊、上部構件設定模塊和下部構件設定模塊分別根據非線性特性或結構彈塑性設定表面土場地基條件、上部構件和下部構件參數。
[0029]②模型生成單元:基于構件數據庫中存儲的構件模型，根據構件設定單元所設定的條件和參數，將上部結構和下部結構作為整體進行數值模型化處理，生成結構一體化的工程結構模型。