一种基于多因素综合影响的结构安全性分析方法与流程

1.本发明涉及土木工程相关领域，具体为一种基于多因素综合影响的结构 安全性分析方法。


背景技术：

2.近年来，建筑工程事故频繁出现，严重影响了人民的生命财产安全，并 造成了不利的公共影响。
3.引发结构安全事故的原因有很多，材料性能不足、设计失误、施工违规、 使用及改建不当、环境因素等，都可能会引发结构事故；并且，这些因素往 往同时存在，共同促成安全事故的发生。由于不同因素对结构承载能力造成 的影响程度也存在不同，事故发生后往往较难定量，因此事故机理往往会较 难判断。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于多因素综合影响的结构安全性分析方 法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于多因素综合影响 的结构安全性分析方法，包括如下具体步骤：
6.步骤1、对需要进行结构安全性分析的结构，设定荷载放大系数、材性折 减系数、截面损伤系数、支座变化系数的变化范围及对应的发生概率；
7.步骤2、对需要进行结构安全性分析的结构，按设计方案形成有限元模型， 并在模型中增加步骤1中的影响因素对应的调整参数；
8.步骤3、根据步骤1中各个影响因素的数值变化范围、变化步长，确定多 因素综合影响可能的求解模型数量；
9.步骤4、对步骤3中的模型数量完成求解后，从结果中，筛选出结构响应 达到倒塌评价标准的结果，并选择其中综合折减系数z值较大的一部分结果， 作为发生概率较高的对结构安全性有较不利影响的组合。
10.优选的，所述步骤1中荷载放大系数n对应建筑物使用功能的改变而引 起的荷载改变情况，材料性能折减系数a对应混凝土、钢筋、钢材等因材料 缺陷、制作缺陷而引起的性能折减情况，截面损伤系数b对应钢材钢筋锈蚀、 混凝土开裂、实际使用截面偏小而导致的截面尺寸缩减情况，支座变化系数c 对应施工使用过程中，支座加固、邻近建筑施工等因素引发的支座约束、位 移变化情况。
11.优选的，所述步骤2中有限元模型通过有限元软件自动生成。
12.优选的，所述步骤3中当求解模型数量较少时，如小于100，可采用穷举 法；当求解模型数量较多时，可采用遗传算法，并以考虑概率的综合折减系 数z作为评价指标，进行z的最大值优化分析，得到概率较高的结构事故影 响因素组合情况。
13.优选的，所述z的计算公式如下：
[0014][0015]
其中，pn、pa、pb、pc分别表示荷载放大系数、材料性能折减系数、截面 损伤系数、支座变化系数变化对应的概率，当某参数的概率曲线不确定时，p 可统一设定为1，即不考虑该参数的变化概率。
[0016]
优选的，所述步骤4中对结构安全性有较不利影响的组合可通过进一步 限定示荷载放大系数、材料性能折减系数、截面损伤系数、支座变化系数变 化范围，结合实际情况，确定引发结构倒塌的影响因素组合情况，根据上述 因素综合影响分析结果，结合结果目前状态，确定结构的安全系数以及加固 方案。
[0017]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0018]
1.通过列举多种折减因素组合下的结构响应情况，较全面的分析可能引 起结构安全性分析的较不利折减因素组合情况，更符合实际工程事故中，多 种影响因素并存、影响程度存在不确定性的实际情况。
[0019]
2.可以通过筛选存在安全性问题的影响因素组合，确定对结构安全性较 敏感的影响因素。
[0020]
3.可以在某一个或几个影响因素确定的情况下，分析其他不确定因素达 到多大数值时可能引发结构安全性问题，以此为依据指定加固改造的关键控 制因素。
附图说明
[0021]
图1为本发明的工作流程图；
[0022]
图2为本发明的实施例的三维模型图；
[0023]
图3为本发明的实施例的结构动力响应情况图；
[0024]
图4为本发明的实施例的倒塌案例影响参数分布情况图；
[0025]
图5为本发明的实施例的倒塌案例中z值较大时的影响参数分布情况图。
具体实施方式
[0026]
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。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。
[0027]
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种基于多因素综合影响的结 构安全性分析方法，包括如下具体步骤：
[0028]
步骤1、如附图2所示，对某7层钢框架结构，进行荷载放大系数、材性 折减系数、截面损伤系数、支座变化系数综合影响下的安全性分析。
[0029]
设定荷载放大系数n对应建筑物使用功能的改变而引起的荷载改变情况； 材料性能折减系数a对钢材因材料缺陷而引起的屈服强度折减情况；截面损 伤系数b对应钢材锈蚀实际使用截面偏小而导致的截面尺寸缩减情况，损伤 后腹板厚度为btw，翼缘厚度为btf，其中tw、tf为损伤前厚度；支座变化系数 c对应施工使用过程中，支座加固、邻近建筑施工等因素引发的支座约束、位 移变化等情况，支座位移δx＝l
xcx
、δy＝l
ycy
、δz＝hcz，其中l
x
、
ly、h分别为 变化支座所在位置的x向柱距、y向柱距、柱高。此外，考虑截面变化因素对 应的概率pb与b数值相关；其余因素不考虑概率变化，即pn＝pa＝pc＝1；
[0030]
步骤2、多因素的折减会对结构的极限承载能力造成影响，为了确定结构 在折减后的响应情况，数值模拟需要能够考虑材料非线性和几何非线性，因 此建立了显式有限元模型进行求解；
[0031]
步骤3、设定荷载放大系数n的变化范围为1～2.5，步长为0.5；屈服强 度折减a的变化范围为1.0～0.8，步长为0.05；截面损伤系数b的变化范围 为1～0.8，步长为0.1，设定b＝1时pb＝1，b＝0.8时pb＝0.5，当b在0.8～1之 间时采用插值确定；支座竖向位移系数cz的变化范围为0～0.05。根据各参数 的变化范围及步长，设定支座位移随时间递增，因此待求解模型的数量为 4*5*3＝60。可采用穷举法进行求解，确定发生倒塌时cz的数值。综合折减系 数z计算公式如下：
[0032][0033]
步骤4、完成所有案例的求解，并根据求解得到的结构动力响应情况及总 能量变化情况，判断结构是否倒塌，以及倒塌的时刻。如附图3所示，结构 发生倒塌，设定结构响应对应的数值为1，若未发生倒塌则设为0。
[0034]
如附图4所示，对发生倒塌的案例进行分析，当荷载放大系数n≥1.5时， 在各折减参数的影响下，都有可能发生结构倒塌。
[0035]
如附图5所示，筛选出发生倒塌的案例中综合折减系数z数值相对较大 的案例进行分析，发现此类案例中，支座都发生较大竖向位移，表明支座竖 向变形对结构的安全性影响较敏感。此外，当荷载放大系数n＝1.5时，当材 料性能折减、截面尺寸折减、支座竖向位移同时存在时，则结构也会发生倒 塌破坏，即对于服役时间较长(材料、截面相比新建阶段均有折减)、支座可 靠性较低、建筑使用功能存在不利调整(设计荷载加大)的既有建筑物来说， 结构的安全性是较低的，可能存在较大倒塌风险。
[0036]
通过列举多种折减因素组合下的结构响应情况，较全面的分析可能引起 结构安全性分析的较不利折减因素组合情况，更符合实际工程事故中，多种 影响因素并存、影响程度存在不确定性的实际情况；可以通过筛选存在安全 性问题的影响因素组合，确定对结构安全性较敏感的影响因素；可以在某一 个或几个影响因素确定的情况下，分析其他不确定因素达到多大数值时可能 引发结构安全性问题，以此为依据指定加固改造的关键控制因素。
[0037]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。

技术特征：
1.一种基于多因素综合影响的结构安全性分析方法，其特征在于：包括如下具体步骤：步骤1、对需要进行结构安全性分析的结构，设定荷载放大系数、材性折减系数、截面损伤系数、支座变化系数的变化范围及对应的发生概率；步骤2、对需要进行结构安全性分析的结构，按设计方案形成有限元模型，并在模型中增加步骤1中的影响因素对应的调整参数；步骤3、根据步骤1中各个影响因素的数值变化范围、变化步长，确定多因素综合影响可能的求解模型数量；步骤4、对步骤3中的模型数量完成求解后，从结果中，筛选出结构响应达到倒塌评价标准的结果，并选择其中综合折减系数z值较大的一部分结果，作为发生概率较高的对结构安全性有较不利影响的组合。2.根据权利要求1所述的一种基于多因素综合影响的结构安全性分析方法，其特征在于：所述步骤1中荷载放大系数n对应建筑物使用功能的改变而引起的荷载改变情况，材料性能折减系数a对应混凝土、钢筋、钢材等因材料缺陷、制作缺陷而引起的性能折减情况，截面损伤系数b对应钢材钢筋锈蚀、混凝土开裂、实际使用截面偏小而导致的截面尺寸缩减情况，支座变化系数c对应施工使用过程中，支座加固、邻近建筑施工等因素引发的支座约束、位移变化情况。3.根据权利要求1所述的一种基于多因素综合影响的结构安全性分析方法，其特征在于：所述步骤2中有限元模型通过有限元软件自动生成。4.根据权利要求1所述的一种基于多因素综合影响的结构安全性分析方法，其特征在于：所述步骤3中当求解模型数量较少时，如小于100，可采用穷举法；当求解模型数量较多时，可采用遗传算法，并以考虑概率的综合折减系数z作为评价指标，进行z的最大值优化分析，得到概率较高的结构事故影响因素组合情况。5.根据权利要求1所述的一种基于多因素综合影响的结构安全性分析方法，其特征在于：所述z的计算公式如下：其中，p
n
、p
a
、p
b
、p
c
分别表示荷载放大系数、材料性能折减系数、截面损伤系数、支座变化系数变化对应的概率，当某参数的概率曲线不确定时，p可统一设定为1，即不考虑该参数的变化概率。6.根据权利要求1所述的一种基于多因素综合影响的结构安全性分析方法，其特征在于：所述步骤4中对结构安全性有较不利影响的组合可通过进一步限定示荷载放大系数、材料性能折减系数、截面损伤系数、支座变化系数变化范围，结合实际情况，确定引发结构倒塌的影响因素组合情况，根据上述因素综合影响分析结果，结合结果目前状态，确定结构的安全系数以及加固方案。

技术总结
本发明涉及土木工程相关领域，具体为一种基于多因素综合影响的结构安全性分析方法，通过列举多种折减因素组合下的结构响应情况，较全面的分析可能引起结构安全性分析的较不利折减因素组合情况，更符合实际工程事故中，多种影响因素并存、影响程度存在不确定性的实际情况；可以通过筛选存在安全性问题的影响因素组合，确定对结构安全性较敏感的影响因素；可以在某一个或几个影响因素确定的情况下，分析其他不确定因素达到多大数值时可能引发结构安全性问题，以此为依据指定加固改造的关键控制因素。制因素。制因素。


技术研发人员：蒋瓅 丁嘉卿 瞿革 蒋斌 朱艳 吴超
受保护的技术使用者：中船第九设计研究院工程有限公司
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/8