申请/专利权人：江苏壹鼎崮机电科技有限公司

申请日：2017-10-23

公开（公告）日：2020-10-20

公开（公告）号：CN107609314B

主分类号：G06F30/13(20200101)

分类号：G06F30/13(20200101);G06T17/00(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.20#授权;2018.02.13#实质审查的生效;2018.01.19#公开

摘要：本发明公开了一种建筑结构‑抗震支吊架耦合计算模型建立方法，包括以下步骤：建立三维空间分析模型；计算地震波输入时建筑结构在每个楼层平面内加速度峰值的响应面模型，确定每个楼层平面内加速度峰值最大的点；根据抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，建立抗震支吊架的最不利分析模型；将建筑结构的三维空间分析模型与抗震支吊架的最不利分析模型耦合，获得建筑结构‑抗震支吊架的耦合计算模型。本发明还公开了一种抗震支吊架的抗震设计方法。本发明能够计算地震作用下抗震支吊架的最不利加速度值，进而计算抗震支吊架的地震作用并进行抗震设计，在保证计算结果准确性的同时，大幅提高计算效率，可得到广泛推广和应用。

主权项：1.一种抗震设计用的建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型建立方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、根据拟安装抗震支吊架的建筑结构的实物结构尺寸建立三维空间分析模型；步骤2、通过时程分析法计算地震波输入时所述建筑结构在每个楼层平面内加速度峰值的响应面模型，根据响应面模型确定每个楼层平面内加速度峰值最大的点；步骤3、根据抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，建立抗震支吊架的最不利分析模型；步骤4、在每个楼层平面内加速度峰值最大的点上将所述建筑结构的三维空间分析模型与抗震支吊架的最不利分析模型耦合，获得建筑结构-抗震支吊架的耦合计算模型；所述步骤3的具体步骤为：步骤3.1、根据楼层平面内X方向布置管道的纵向抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，计算该支吊架的基本自振周期T1；根据楼层平面内Y方向布置管道的侧向抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，计算该支吊架的基本自振周期T2；比较基本自振周期T1和T2，选取基本自振周期较大的抗震支吊架建立楼层平面内抗震支吊架X方向的最不利分析模型；步骤3.2、根据楼层平面内X方向布置管道的侧向抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，计算该支吊架的基本自振周期T3；根据楼层平面内Y方向布置管道的纵向抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，计算该支吊架的基本自振周期T4；比较基本自振周期T3和T4，选取基本自振周期较大的抗震支吊架建立楼层平面内抗震支吊架Y方向的最不利分析模型。

全文数据：建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型建立方法及抗震支吊架的抗震设计方法技术领域[0001]本发明涉及一种用于抗震设计的建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型建立方法及抗震支吊架的抗震设计方法。背景技术[0002]传统建筑抗震设计是基于承载力要求的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计准则，这样设计的目的是为了满足地震作用下建筑结构主体的安全性。但是随着社会进步和经济发展，人们逐渐认识到，在抗震设计中不仅要求建筑主体不发生严重的破坏倒塌，同时对于一些特殊功能建筑，如电厂、核电站、政府机关等，也要求建筑内部的设施设备和非结构构件不发生损坏或仍能正常工作。实际上，附属结构的损坏造成的损失往往远远超过社会和业主所能承受的范围。附属结构的安全性问题从1964年的美国阿拉斯加地震开始引起人们的关注，随后发生的1971年美国圣费尔南多地震、1972年的尼加拉瓜地震、1975年的中国海城地震以及1976年的中国唐山地震等多次强烈地震，使得附属结构破坏所造成的经济损失和人员伤亡越来越受到人们的关注，如何保护附属结构在地震中的安全，成为抗震设计中的又一个新的课题。[0003]2015年8月1日起国家开始批准实施《建筑机电工程抗震设计规范》（GB50981-2014。在此之前所有的建筑物基本没有考虑建筑机电工程的抗震设计，由此中国的建筑机电行业在抗震领域就有了国家标准，从而提高了建筑机电系统的抗震安全。但目前来说对于机电工程抗震支吊架的抗震设计方法研究与应用相对比较笼统和模糊，《建筑机电工程抗震设计规范》中采用的等效侧力法计算相对过于简单并且计算误差较大，而对于楼面谱法来说，传统楼面谱法采用强制解耦分析则计算结果偏保守，新型楼面谱法计算复杂，工程实用性差。为此，采用时程分析法建立准确的抗震支吊架抗震设计方法是提高抗震支吊架抗震安全性的关键研究内容，其中如何建立地震作用下建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型是核心问题。抗震支吊架的抗震设计要考虑地震作用下的最不利情况，首先抗震支吊架作为附属结构，应该安装在建筑结构楼层平面内最大加速度的位置，从而对抗震支吊架产生最不利的地震作用;其次，抗震支吊架的布置方向较多，根据建筑平面的X方向管道和Y方向管道，分别要布置相应的侧向抗震支吊架和纵向抗震支吊架，为此需要建立抗震支吊架的最不利分析模型，在地震作用下产生最大地震加速度。将上述两种最不利情况进行耦合，就可以建立抗震设计用的建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型，有效提升抗震支吊架的抗震设计水平。[0004]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。发明内容[0005]本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型建立方法及抗震支吊架的抗震设计方法，本发明能够计算地震作用下抗震支吊架的最不利加速度值，进而计算抗震支吊架的地震作用并进行抗震设计，在保证计算结果准确性的同时，大幅提高计算效率，可得到广泛推广和应用。[0006]为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：[0007]抗震设计用的建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型建立方法，包括以下步骤为：[0008]步骤1、根据拟安装抗震支吊架的建筑结构的实物结构尺寸建立三维空间分析模型；[0009]步骤2、通过时程分析法计算地震波输入时所述建筑结构在每个楼层平面内加速度峰值的响应面模型，根据响应面模型确定每个楼层平面内加速度峰值最大的点；[0010]步骤3、根据抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，建立抗震支吊架的最不利分析模型；[0011]步骤4、在每个楼层平面内加速度峰值最大的点上将所述建筑结构的三维空间分析模型与抗震支吊架的最不利分析模型耦合，获得建筑结构-抗震支吊架的耦合计算模型。[0012]进一步的，所述步骤2的具体步骤为：[0013]步骤2.1、采用时程分析法计算X方向输入地震波时，建筑结构的每个楼层平面内楼盖的角点和边中点的X方向加速度峰值，根据这些角点和边中点的平面X、Y坐标并采用二次多项式模型建立每个楼层平面内X方向加速度峰值的响应面模型，根据X方向加速度峰值的响应面模型确定每个楼层平面内X方向加速度峰值最大的点的平面坐标；[0014]步骤2.2、采用时程分析法计算Y方向输入地震波时，建筑结构的每个楼层平面内楼盖的角点和边中点的Y方向加速度峰值，根据这些角点和边中点的平面坐标并采用二次多项式模型建立每个楼层平面内Y方向加速度峰值的响应面模型，根据Y方向加速度峰值的响应面模型确定每个楼层平面内Y方向加速度峰值最大的点的平面坐标。[0015]进一步的，所述步骤3的具体步骤为：[0016]步骤3.1、根据楼层平面内X方向布置管道的纵向抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，计算该支吊架的基本自振周期T1;根据楼层平面内Y方向布置管道的侧向抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，计算该支吊架的基本自振周期T2;比较基本自振周期TjPT2,选取基本自振周期较大的抗震支吊架建立楼层平面内抗震支吊架X方向的最不利分析模型；[0017]步骤3.2、根据楼层平面内X方向布置管道的侧向抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，计算该支吊架的基本自振周期T3;根据楼层平面内Y方向布置管道的纵向抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，计算该支吊架的基本自振周期T4;比较基本自振周期T3和Τ4,选取基本自振周期较大的抗震支吊架建立楼层平面内抗震支吊架Y方向的最不利分析模型。[0018]进一步的，所述步骤4的具体步骤为：[0019]步骤4.1、根据每个楼层平面内X方向和Y方向加速度峰值最大点的平面坐标，对应于三维空间分析模型中的每层楼板位置设置节点，并对该节点区域附近人为划分楼板单元；[0020]步骤4.2、在每个楼层平面内X方向和Y方向加速度峰值最大点对应的楼板节点上分别将抗震支吊架X方向和Y方向的最不利分析模型与建筑结构的三维空间计算模型耦合。[0021]为实现上述技术目的，本发明采取的另一种技术方案为:一种采用上述的抗震设计用的建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型建立方法的抗震支吊架的抗震设计方法，包括以下步骤：[0022]针对步骤4建立的建筑结构-抗震支吊架的耦合计算模型，采用时程分析法计算地震波输入时抗震支吊架的最不利加速度值，据此进行抗震支吊架的抗震设计。[0023]进一步的，所述步骤5的具体步骤为：[0024]步骤5.1、针对建筑结构-抗震支吊架的耦合计算模型，采用时程分析法计算地震波输入时抗震支吊架的X方向加速度峰值，作为抗震支吊架X方向的最不利加速度值，根据X方向的最不利加速度值计算X方向布置管道的纵向抗震支吊架和Y方向布置管道的侧向抗震支吊架的地震作用并进行抗震设计；[0025]步骤5.2、采用时程分析法计算地震波输入时抗震支吊架的Y方向加速度峰值，作为抗震支吊架Y方向的最不利加速度值，根据Y方向的最不利加速度值计算X方向布置管道的侧向抗震支吊架和Y方向布置管道的纵向抗震支吊架的地震作用并进行抗震设计。[0026]本发明的有益效果有:采用本发明提出的建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型充分考虑了抗震支吊架在地震作用下的最不利情况:①通过楼面加速度响应面模型可以快速确定楼层平面内最大加速度的位置，从而确定抗震支吊架与建筑结构的耦合位置;②通过抗震支吊架的基本自振周期可以快速确定抗震支吊架在建筑主轴X方向和Y方向的最不利分析模型。根据该计算模型能够计算地震作用下抗震支吊架的最不利加速度值，进而计算抗震支吊架的地震作用并进行抗震设计。采用本发明的方法可在保证计算结果准确性的同时，大幅提高计算效率，具有很好的实用价值，可得到广泛推广和应用。附图说明[0027]图1为建筑结构的三维空间分析模型示意图。[0028]图2为建筑结构第6层楼层平面示意图。[0029]图3为X向输入地震波下第6层平面角点和边中点处X向加速度峰值示意图。[0030]图4为Y向输入地震波下第6层平面角点和边中点处Y向加速度峰值示意图。[0031]图5为楼层平面内加速度峰值点处的节点设置及人为划分楼板单元示意图。[0032]图6为抗震支吊架与三维空间计算模型耦合示意图（仅显示第六层结构）。具体实施方式[0033]实施例1[0034]在本实施例1中，以某6层框架结构-抗震支吊架的耦合计算模型为例，说明本发明的具体实施过程：[0035]1根据该6层框架结构的设计图纸，按其梁、柱、楼板等尺寸采用通用有限元软件ETABS建立三维空间分析模型，如附图1所示；[0036]2根据《建筑抗震设计规范》的地震波选取要求，以ELEW地震波为例进行7度多遇地震作用下的时程分析法计算;首先采用时程分析法计算X方向输入地震波时，建筑结构的每个楼层平面内楼盖的角点、边中点的X方向加速度峰值；以第6层楼层平面为例，如附图2所示;第6层楼层平面的四个角点、四条边的中点的X方向加速度峰值如附图3所示；[0037]各点坐标分别为：1点（-42m，24m、2点0m，24m、3点（42m，24m、4点42m，0m、5点42111，-24111、6点（〇111，-24111、7点（-42111，-24111、8点（-42111，〇111。各点加速度峰值为^-42，24=88.67gal，A0,24=91.63gal，A42,24=87.20gal，A42,0=85.86gal，A42，-24=83.83gal，A-42,0=86.74gal，A-42，-24=83.81gal，A-42,0=85.92gal;[0038]根据这些角点、边中点的平面坐标建立X方向加速度峰值的二次多项式响应面模型:Ax=89·1975-0·0060x+0·091Iy-O·0019x2-0·0004xy+0·OOOly2，据此确定第6层楼层平面内X方向加速度峰值最大的点的平面坐标为-3.36m，20.64m处；[0039]3采用时程分析法计算Y方向输入地震波时，建筑结构的每个楼层平面内楼盖的角点、边中点的Y方向加速度峰值。第6层楼层平面的四个角点、四条边的中点的Y方向加速度峰值如附图4所示；[0040]各点坐标分别为：1点（-42m，24m、2点0m，24m、3点（42m，24m、4点42m，0m、5点42111，-24111、6点（〇111，-24111、7点（-42111，-24111、8点（-42111，〇111。各点加速度峰值为^-42，24=92.89gal，A0,24=100.67gal，A42,24=89.32gal，A42,0=85.97gal，A42，_24=89.6gal，A-42,0=100.34gal，A-42，-24=92.87gal，A-42,0=88.88gal;[0041]根据这些角点、边中点的平面坐标建立Y方向加速度峰值的二次多项式响应面模型:Ay=97·0025-0·0348x+0·0072y-0·0054x2-0·0003xy+0·0061y2，据此确定第6层楼层平面内Y方向加速度峰值最大的点的平面坐标为-5.04m，19.20m处；[0042]4第6层楼层平面内X方向布置管道的纵向抗震支吊架的安装间距为1:=2½,管道线质量密度为Pi=785.40kgm，支吊架的侧移刚度为Iu=25700Nmm，计算该支吊架的基本自振周期为〇.17s;第6层楼层平面内Y方向布置管道的侧向抗震支吊架的安装间距为12=12111、管道线质量密度为02=785.4〇1^111，支吊架的侧移刚度为1«=257〇^mm，计算该支吊架的基本自振周期为0.12s。由于基本自振周期Ti大于T2,故选取基本自振周期较大的抗震支吊架，即楼层平面内X方向布置管道的纵向抗震支吊架建立第6层楼层平面内抗震支吊架X方向的最不利分析模型；[0043]第6层楼层平面内X方向布置管道的侧向抗震支吊架的安装间距为l3=12m、管道线质量密度为P3=785.40kgm，支吊架的侧移刚度为k3=25700Nmm，计算该支吊架的基本自振周期·为〇.12s;第6层楼层平面内Y方向布置管道的纵向抗震支吊架的安装间距为l4=24m、管道线质量密度为P4=785.40kgm，支吊架的侧移刚度为k4=25700Nmm，计算该支吊架的基本自振周期％〇.17s。比较基本自振周期T3小于T4,选取基本自振周期较大的抗震支吊架，即楼层平面内Y方向布置管道的纵向抗震支吊架建立第6层楼层平面内抗震支吊架Y方向的最不利分析模型；[0044]5根据第6层楼层平面内X方向和Y方向加速度峰值最大点的平面坐标-3.36m,20.64m和-5.04m，19.20m，对应于三维空间分析模型中的该层楼板位置设置节点，并对该节点区域附近人为划分楼板单元，如附图5所示，虚线处为人工化分区域，左边为X方向加速度峰值点对应的划分楼板单元，右边为Y方向加速度峰值点对应的划分楼板单元。[0045]6在第6层楼层平面内X方向和Y方向加速度峰值最大点对应的楼板节点上分别将抗震支吊架X方向和Y方向的最不利分析模型与建筑结构的三维空间计算模型耦合，如附图6所示，其中A为抗震支吊架X方向最不利布置处，B为抗震支吊架Y方向最不利布置处。[0046]实施例2[0047]本实施例2是在实施例1的基础上，通过实施例1建立的建筑结构-抗震支吊架的耦合计算模型，计算得到X方向ELEW地震波输入时抗震支吊架的X方向最不利加速度值1为91.82gal，根据最不利加速度值计算X方向布置管道的纵向抗震支吊架的地震作用？1=9山a^l7.31kN和Y方向布置管道的侧向抗震支吊架的地震作用F2=P2I2ai为8.65kN，并进行抗震设计;计算得到Y方向ELEW地震波输入时抗震支吊架的Y方向最不利加速度值a2为100.77gal，根据最不利加速度值计算X方向布置管道的侧向抗震支吊架的地震作用F3=P3l3a：*9.50kN和Y方向布置管道的纵向抗震支吊架的地震作用F4=P4l4a：*18.99kN，并进行抗震设计。[0048]上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

权利要求：1.一种抗震设计用的建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型建立方法，其特征在于包括以下步骤为：步骤1、根据拟安装抗震支吊架的建筑结构的实物结构尺寸建立三维空间分析模型；步骤2、通过时程分析法计算地震波输入时所述建筑结构在每个楼层平面内加速度峰值的响应面模型，根据响应面模型确定每个楼层平面内加速度峰值最大的点；步骤3、根据抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，建立抗震支吊架的最不利分析模型；步骤4、在每个楼层平面内加速度峰值最大的点上将所述建筑结构的三维空间分析模型与抗震支吊架的最不利分析模型耦合，获得建筑结构-抗震支吊架的耦合计算模型。2.如权利要求1所述的一种抗震设计用的建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型建立方法，其特征在于所述步骤2的具体步骤为：步骤2.1、采用时程分析法计算X方向输入地震波时，建筑结构的每个楼层平面内楼盖的角点和边中点的X方向加速度峰值，根据所述角点和边中点的平面X、Y坐标并采用二次多项式模型建立每个楼层平面内X方向加速度峰值的响应面模型，根据X方向加速度峰值的响应面模型确定每个楼层平面内X方向加速度峰值最大的点的平面坐标；步骤2.2、采用时程分析法计算Y方向输入地震波时，建筑结构的每个楼层平面内楼盖的角点和边中点的Y方向加速度峰值，根据这些角点和边中点的平面坐标并采用二次多项式模型建立每个楼层平面内Y方向加速度峰值的响应面模型，根据Y方向加速度峰值的响应面模型确定每个楼层平面内Y方向加速度峰值最大的点的平面坐标。3.如权利要求1所述的一种抗震设计用的建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型建立方法，其特征在于所述步骤3的具体步骤为：步骤3.1、根据楼层平面内X方向布置管道的纵向抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，计算该支吊架的基本自振周期T1;根据楼层平面内Y方向布置管道的侧向抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，计算该支吊架的基本自振周期T2;比较基本自振周期TjPT2，选取基本自振周期较大的抗震支吊架建立楼层平面内抗震支吊架X方向的最不利分析模型；步骤3.2、根据楼层平面内X方向布置管道的侧向抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，计算该支吊架的基本自振周期T3;根据楼层平面内Y方向布置管道的纵向抗震支吊架的安装间距、管道线质量密度和支吊架的侧移刚度，计算该支吊架的基本自振周期T4;比较基本自振周期T3和Τ4,选取基本自振周期较大的抗震支吊架建立楼层平面内抗震支吊架Y方向的最不利分析模型。4.如权利要求1所述的一种抗震设计用的建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型建立方法，其特征在于，所述步骤4的具体步骤为：步骤4.1、根据每个楼层平面内X方向和Y方向加速度峰值最大点的平面坐标，对应于三维空间分析模型中的每层楼板位置设置节点，并对该节点区域附近人为划分楼板单元；步骤4.2、在每个楼层平面内X方向和Y方向加速度峰值最大点对应的楼板节点上分别将抗震支吊架X方向和Y方向的最不利分析模型与建筑结构的三维空间计算模型耦合。5.—种采用权利要求1或2或3或4所述的抗震设计用的建筑结构-抗震支吊架耦合计算模型建立方法的抗震支吊架的抗震设计方法，其特征在于还包括以下步骤：针对步骤4建立的建筑结构-抗震支吊架的耦合计算模型，采用时程分析法计算地震波输入时抗震支吊架的最不利加速度值，据此进行抗震支吊架的抗震设计。6.如权利要求5所述的一种抗震支吊架的抗震设计方法，其特征在于所述步骤5的具体步骤为：步骤5.1、针对建筑结构-抗震支吊架的耦合计算模型，采用时程分析法计算地震波输入时抗震支吊架的X方向加速度峰值，作为抗震支吊架X方向的最不利加速度值，根据X方向的最不利加速度值计算X方向布置管道的纵向抗震支吊架和Y方向布置管道的侧向抗震支吊架的地震作用并进行抗震设计；步骤5.2、采用时程分析法计算地震波输入时抗震支吊架的Y方向加速度峰值，作为抗震支吊架Y方向的最不利加速度值，根据Y方向的最不利加速度值计算X方向布置管道的侧向抗震支吊架和Y方向布置管道的纵向抗震支吊架的地震作用并进行抗震设计。

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