一种混凝土模块化建筑结构抗震分析方法以及系统与流程

本发明涉及模块化建筑结构，尤其涉及一种混凝土模块化建筑结构抗震分析方法以及系统。

背景技术：

1、近年来，国家大力推动新型建筑工业化与绿色建造，模块化建筑因其工厂预制、现场装配、绿色环保等优势，在多、高层建筑快速建造中广泛应用。典型做法是：工厂预制混凝土模块，模块自带模壳作为永久模板，现场组装后浇筑核心混凝土，形成模块化组合受力构件。然而，现有抗震分析方法存在以下技术缺陷。

2、现行设计通常直接建立纯现浇截面模型，完全忽略模壳的刚度贡献，仅通过一个整体的周期折减系数（如0.7~0.9）来考虑填充墙等非结构构件的影响。同时，现有方法无法区分中柱、边柱、角柱等不同位置因模壳围合边数差异（四边、三边、两边）导致的刚度贡献不同，也无法反映模壳与后浇混凝土之间界面滑移对刚度的折减效应。研究表明，界面滑移会使组合截面实际刚度显著低于理想粘结情况，且角柱等约束较弱构件的刚度折减更为突出。现行传统现浇结构单一的周期折减系数无法捕捉这种模块化建筑特有的空间差异性和模壳-后浇混凝土之间界面粘结滑移影响。

3、对于采用预制模壳的模块化建筑，完全忽略模壳刚度贡献会导致计算周期偏长，从而低估地震作用，使设计偏于不安全；然而，若反过来错误地高估模壳刚度（如假定完全共同工作），则会导致周期偏短，高估地震作用，使设计偏于保守，造成模块化建筑更加不经济。现有方法缺乏对模壳刚度的合理考虑和精确量化，既无法保证经济性，也无法确保安全性。

4、综上所述，现有技术无法准确评估多、高层模块化建筑的实际地震作用，也无法精确反映关键构件的真实受力状态。亟需一种能够反映模块化组合受力构件空间位置差异的抗震分析方法，以保障模块化建筑结构的抗震安全性。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种混凝土模块化建筑结构抗震分析方法以及系统，通过对混凝土模块化建筑结构模型进行刚度修正，在罕遇地震作用下进行弹塑性时程分析，评估混凝土模块化建筑结构的抗震性能，可解决现有技术忽略界面粘结滑移和空间位置差异导致的地震作用计算失真和抗震性能评估不准确的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种混凝土模块化建筑结构抗震分析方法，包括：

3、基于混凝土模块化建筑结构模型，根据模块拆分方案，确定不同空间位置的核心现浇混凝土受力构件对应的特征参数；

4、将核心现浇混凝土受力构件对应的特征参数输入刚度修正因子预测模型，获取刚度修正因子，所述刚度修正因子包括第一方向刚度修正因子u1和第二方向刚度修正因子u2；

5、基于所述第一方向刚度修正因子u1和所述第二方向刚度修正因子u2，对所述混凝土模块化建筑结构模型进行刚度修正；

6、基于刚度修正后的混凝土模块化建筑结构模型，在多遇地震作用下进行弹性设计与弹性时程分析，获取结构整体指标；

7、将所述结构整体指标与规范限值对比，判断所述弹性设计是否满足设计要求；

8、在确定所述弹性设计满足设计要求后，在罕遇地震作用下进行弹塑性时程分析，评估混凝土模块化建筑结构的抗震性能；

9、若确定混凝土模块化建筑结构的抗震性能不满足性能要求，则对混凝土模块化建筑结构的薄弱构件进行加强。

10、在一些实施例中，确定不同空间位置的核心现浇混凝土受力构件对应的特征参数，包括：

11、根据混凝土模块化建筑结构模型，根据模块拆分方案，确定不同空间位置的核心现浇混凝土受力构件的模壳围合形式；

12、根据所述模壳围合形式，确定所述核心现浇混凝土受力构件对应的预制模壳；

13、基于所述预制模壳和所述核心现浇混凝土受力构件，建立模块化组合受力构件的非完全共同工作有限元模型；所述模块化组合受力构件由所述预制模壳和所述核心现浇混凝土受力构件形成；

14、基于所述非完全共同工作有限元模型，在所述预制模壳与核心现浇混凝土受力构件之间设置界面接触单元，并确定界面接触特征参数；

15、确定所述核心现浇混凝土受力构件的基本设计参数和预制模壳的基本设计参数，将所述核心现浇混凝土受力构件的基本设计参数、所述预制模壳的基本设计参数和所述界面接触特征参数作为所述特征参数；

16、其中，所述核心现浇混凝土受力构件的基本设计参数至少包括：核心现浇混凝土强度等级、核心现浇混凝土弹性模量和核心现浇混凝土受力构件的截面尺寸；所述构件截面尺寸包括截面宽度和截面高度；

17、所述预制模壳的基本设计参数至少包括：模壳混凝土强度等级、模壳混凝土弹性模量、模壳厚度和模壳围合方式；

18、所述界面接触特征参数包括切向行为接触特征参数和法向行为接触特征参数。

19、在一些实施例中，确定界面接触特征参数，包括：

20、确定界面接触特征参数基准值；

21、基于所述模壳围合方式确定界面折减系数；

22、将所述界面接触特征参数基准值与所述界面折减系数的积值作为所述界面接触特征参数。

23、在一些实施例中，在罕遇地震作用下进行弹塑性时程分析时，根据预先建立的刚度衰减函数实时更新所述模块化组合受力构件对应的刚度。

24、在一些实施例中，建立所述模壳刚度衰减函数，包括：

25、对所述模块化组合受力构件进行低周往复加载试验，获取不同位移角下的割线刚度，形成加载试验数据；

26、建立所述预制模壳与现浇混凝土之间界面粘结的弹塑性有限元模型，基于所述加载试验数据对所述有限元模型进行标定验证；

27、基于标定验证后的弹塑性有限元模型，获取多种参数组合工况下的模块化组合受力构件在不同位移角下的割线刚度与初始弹性刚度的比值；

28、基于不同位移角下割线刚度与初始弹性刚度的比值，通过分段线性拟合，得到位移角变化下的刚度衰减函数。

29、在一些实施例中，所述刚度衰减函数为：

30、α(θ) = kdeg(θ) / kini；

31、其中，θ为构件位移角，kdeg(θ)为构件位移角θ下对应的割线刚度，kini为初始弹性刚度；α(θ) 为刚度衰减系数；

32、当层间位移角θ ≤ θcr时，则刚度衰减系数α(θ)=1.0；

33、当θcr<θ≤θu时，则刚度衰减系数α(θ)=1- λ·(θ-θcr)/(θu-θcr)；

34、当θ>θu时，则刚度衰减系数α(θ) = αres；

35、其中，θcr为开裂位移角，θu为极限位移角，λ为刚度衰减率，αres为残余刚度系数。

36、在一些实施例中，对所述混凝土模块化建筑结构模型进行修正包括构件级修正、构件类别级修正和结构整体级修正；

37、所述构件级修正为：对每个核心现浇混凝土受力构件赋予对应的所述第一方向刚度修正因子u1和所述第二方向刚度修正因子u2，以对每个核心现浇混凝土受力构件的刚度进行修正；

38、所述构件类别级修正：基于每个核心现浇混凝土受力构件的所述第一方向刚度修正因子u1和所述第二方向刚度修正因子u2，将模壳围合方式相同且受力类型相同的构件的刚度修正因子取平均值或取最大值处理，得到类别修正因子，以所述类别修正因子对同种围合类型且受力类型相同的构件进行刚度修正；

39、所述结构整体级修正：基于每个核心现浇混凝土受力构件的所述第一方向刚度修正因子u1和所述第二方向刚度修正因子u2，将受力类型相同的构件的刚度修正因子进行取平均值或取最大值处理，得到整体修正因子，以所述整体修正因子对同种受力类型的构件进行刚度修正。

40、在一些实施例中，所述修正因子预测模型通过以下方法获取：

41、根据特征参数对刚度修正因子的影响程度进行排序，确定关键特征参数；

42、确定所述关键特征参数的取值范围；

43、基于所述关键特征参数的取值范围生成多个构件工况，并针对每个构件工况建立模块化组合受力构件的非完全共同工作有限元模型；所述模块化组合受力构件由预制模壳和核心现浇混凝土受力构件形成；

44、基于所述非完全共同工作有限元模型，获取每个构件工况对应的刚度修正因子，所述每个构件工况对应的特征参数和刚度修正因子形成数据集；

45、建立预测模型，将数据集中的特征参数作为输入，刚度修正因子作为输出，对所述回归模型进行训练以获取所述修正因子预测模型。

46、在一些实施例中，获取每个构件工况对应的刚度修正因子，包括：

47、基于所述非完全共同工作有限元模型，计算模块化组合受力构件截面的第一方向实际等效刚度e1和第二方向实际等效刚度e2；

48、计算核心现浇混凝土受力构件截面的第一方向刚度e11和第二方向刚度e22；

49、采用公式u1=e1/e11和u2=e2/e22来计算第一方向刚度修正因子u1和第二方向刚度修正因子u2；

50、其中，第一方向为混凝土模块化建筑结构模型中坐标系x方向；第二方向为坐标系y方向，所述x方向和所述y方向形成xoy平面。

51、第二方面，本发明还提供了一种混凝土模块化建筑结构抗震分析系统，包括：

52、特征参数确定模块，用于基于所述混凝土模块化建筑结构模型，根据模块拆分方案，确定不同空间位置的核心现浇混凝土受力构件对应的特征参数；

53、修正因子获取模块，用于将核心现浇混凝土受力构件对应的特征参数输入刚度修正因子预测模型，获取刚度修正因子，所述刚度修正因子包括第一方向刚度修正因子u1和第二方向刚度修正因子u2；

54、刚度修正模块，用于基于所述第一方向刚度修正因子u1和所述第二方向刚度修正因子u2，对所述混凝土模块化建筑结构模型进行刚度修正；

55、小震分析模块，用于基于刚度修正后的混凝土模块化建筑结构模型，在多遇地震作用下进行弹性设计与弹性时程分析，获取结构整体指标；

56、小震判断模块，用于将所述结构整体指标与规范限值对比，判断所述弹性设计是否满足设计要求；

57、大震分析模块，用于在确定所述弹性设计满足设计要求后，在罕遇地震作用下进行弹塑性时程分析，评估混凝土模块化建筑结构的抗震性能；

58、大震判断模块，用于若确定混凝土模块化建筑结构的抗震性能不满足性能要求，则对混凝土模块化建筑结构的薄弱构件进行加强。

59、本发明实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

60、本发明实施例提供的混凝土模块化建筑结构抗震分析方法，通过对混凝土模块化建筑结构模型进行刚度修正，在罕遇地震作用下进行弹塑性时程分析，评估混凝土模块化建筑结构的抗震性能，可解决现有技术忽略界面粘结滑移和空间位置差异导致的地震作用计算失真和抗震性能评估不准确的问题。