本發(fā)明涉及建筑物健康監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于裂縫非線性生長(zhǎng)的建筑物橫梁失效情景構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是以混凝土為主體，配設(shè)不同形式的抗拉鋼筋所構(gòu)成的組合材料，二者的性能互補(bǔ)，成為迄今為止應(yīng)用較為廣泛的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。而混凝土是一種人造石料，其抗壓能力很強(qiáng)，但是其抗拉強(qiáng)度很弱，受到外荷載作用容易產(chǎn)生裂縫，使混凝土結(jié)構(gòu)的剛性和強(qiáng)度降低、外觀損傷并影響耐久性。雖然裂紋的發(fā)展會(huì)影響結(jié)構(gòu)的性能，但是結(jié)構(gòu)中的裂紋是必然存在的，即結(jié)構(gòu)在正常使用過程中是帶裂紋的，所以只要有效的控制不可避免的裂紋就可以使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得到有效的利用。研究混凝土結(jié)構(gòu)的幾何損傷特征、裂縫擴(kuò)展趨勢(shì)，探討損傷對(duì)耐久性的影響，建立相應(yīng)的抗裂和提高耐久性的措施，在工程實(shí)際中具有現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出了一種基于裂縫非線性生長(zhǎng)的建筑物橫梁失效情景構(gòu)建方法，用以構(gòu)建建筑物橫梁失效的情景。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于裂縫非線性生長(zhǎng)的建筑物橫梁失效情景構(gòu)建方法，包括如下步驟：

s1.構(gòu)建建筑物橫梁的三維模型；

s2.對(duì)建筑物橫梁的三維模型施加約束；

s3.對(duì)建筑物橫梁的三維模型施加作用力；

s4.建筑物橫梁損傷的可視化構(gòu)建。

進(jìn)一步地，步驟s1的建模過程為：先用autocad繪制建筑物橫梁的平面圖，然后將繪制完好的平面圖導(dǎo)入3dsmax軟件中創(chuàng)建三維模型，同時(shí)對(duì)所建的三維模型進(jìn)行材質(zhì)的編輯。

進(jìn)一步地，步驟s2中對(duì)建筑物橫梁的三維模型施加約束時(shí)，先將建筑物橫梁簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，然后再根據(jù)簡(jiǎn)支梁的兩端支座情況來(lái)定義模型兩端的約束形式。

進(jìn)一步地，步驟s3中給建筑物橫梁的三維模型施加的作用力的參數(shù)包括作用力的形式、作用點(diǎn)、大小以及作用方向。

進(jìn)一步地，步驟s4包括如下步驟：

s41.利用高頻照相機(jī)采集真實(shí)建筑物橫梁的裂縫初始狀態(tài)圖片以及在荷載作用下真實(shí)建筑物橫梁裂縫擴(kuò)展過程中不同時(shí)刻的圖片；

s42.利用photoshop軟件將所采集裂縫初始狀態(tài)圖片以及裂縫擴(kuò)展過程中不同時(shí)刻的圖片與完好的橫梁外觀圖片進(jìn)行合成得到建筑物橫梁破壞過程的圖片；

s43.借助3dsmax軟件利用貼圖法，將建筑物橫梁破壞過程的圖片按照裂縫初始狀態(tài)到裂縫最終破壞狀態(tài)的順序分別貼在建筑物橫梁的三維模型上，得到建筑物橫梁三維模型破壞過程的圖片；

s44.在arcglobe中實(shí)現(xiàn)建筑物橫梁破壞失效的可視化，利用所具有的矢量數(shù)據(jù)和格柵數(shù)據(jù)，來(lái)創(chuàng)建三維動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)橫梁破壞失效情景的可視化。

本發(fā)明的建筑物橫梁失效情景構(gòu)建方法是基于裂縫非線性生長(zhǎng)而進(jìn)行構(gòu)建的，用以將事故情景展示出來(lái)，對(duì)預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)做到全過程、全方位、全景觀的系統(tǒng)的了解，有利于找到災(zāi)難的普遍規(guī)律，并作出相應(yīng)的預(yù)案。在工程實(shí)際中，對(duì)研究混凝土結(jié)構(gòu)的幾何損傷特征、裂縫擴(kuò)展趨勢(shì)，探討損傷對(duì)耐久性的影響，建立相應(yīng)的抗裂和提高耐久性的措施，具有現(xiàn)實(shí)意義。

附圖說(shuō)明

圖1是混凝土裂縫擴(kuò)展演化過程圖；

圖2混凝土虛擬裂縫模型；

圖3是含有裂縫的單元網(wǎng)格圖；

圖4是裂縫的階躍函數(shù)—heaviside函數(shù)；

圖5是建筑物橫梁的開裂破壞情景過程。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

混凝土構(gòu)件裂縫非線性擴(kuò)展分析：

(1)澄清混凝土橫梁內(nèi)部原始損傷產(chǎn)生機(jī)理

混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋損傷斷裂機(jī)理是建立結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展模型的基礎(chǔ)，通常混凝土結(jié)構(gòu)在承受荷載之前會(huì)產(chǎn)生原始微裂紋，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫損傷斷裂機(jī)理如下：

a、水泥石在凝結(jié)硬化過程中體積收縮，并且收縮過程受到粗細(xì)骨料的限制而產(chǎn)生的微裂紋。

b、混凝土內(nèi)部存在的微小氣泡及串通氣泡在骨料界面產(chǎn)生的界面微裂紋。

c、在混凝土凝結(jié)硬化過程中多余水分的蒸發(fā)形成毛細(xì)孔道而成的微裂紋。

(2)認(rèn)識(shí)外荷載作用下混凝土構(gòu)件微裂紋的演化過程

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受到荷載作用時(shí)，混凝土中的應(yīng)力隨著荷載的增大而逐漸變大，其內(nèi)部的微裂縫將在骨料界面、漿體內(nèi)部演化擴(kuò)展?；炷羶?nèi)部裂紋的演化擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，而且大部分在卸載后不能恢復(fù)，這也是混凝土?xí)a(chǎn)生塑性變形的原因。隨著外荷載的繼續(xù)增大，混凝土內(nèi)部的微裂縫繼續(xù)擴(kuò)展逐漸形成貫通裂縫，也就導(dǎo)致宏觀裂縫的產(chǎn)生直至結(jié)構(gòu)的最終破壞，其擴(kuò)展演化過程圖1所示。

圖1中圖(a)是指骨料表面的原始微裂紋；圖(b)是指隨著荷載不斷增大，這些微裂紋從骨料表面開始向著灰漿區(qū)域偏移和擴(kuò)展；圖(c)是指在灰漿區(qū)域開始產(chǎn)生微裂縫；圖(d)是指隨著內(nèi)部應(yīng)力的增大，內(nèi)部各種裂縫繼續(xù)擴(kuò)展相互貫穿想成宏觀裂縫直至結(jié)構(gòu)破壞。

(3)建立混凝土構(gòu)件裂縫擴(kuò)展簡(jiǎn)化模型

由混凝土結(jié)構(gòu)裂縫損傷斷裂過程來(lái)看，這只是利用光學(xué)顯微鏡、電鏡、超聲波探測(cè)或者聲發(fā)射等技術(shù)對(duì)混凝土裂縫擴(kuò)展的粗略描述，不能準(zhǔn)確地掌握裂縫擴(kuò)展演化情況。為了分析裂縫尖端前沿的應(yīng)力狀態(tài)，研究混凝土結(jié)構(gòu)中裂紋的擴(kuò)展過程，現(xiàn)建立裂縫擴(kuò)展模型如圖2所示。

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫在失穩(wěn)擴(kuò)展前，其裂縫前沿形成一個(gè)微裂縫區(qū)如圖2(a)所示，現(xiàn)用一條混凝土虛擬裂縫來(lái)近似模擬此微裂縫區(qū)如圖2(b)所示。該裂縫模型定義如下：

1)當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫區(qū)應(yīng)力較低時(shí)，微裂縫比較穩(wěn)定不向前擴(kuò)展，即裂縫不向前延伸，而當(dāng)其應(yīng)力達(dá)到混凝土材料的抗拉強(qiáng)度值這一臨界值時(shí)，裂縫會(huì)向前擴(kuò)展延伸。

2)混凝土應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度時(shí)形成的裂縫并不像真的裂縫那樣完全脫開，而是相互之間仍有應(yīng)力的作用，這種相互間有應(yīng)力的作用的裂縫代替了微裂縫區(qū)材料間仍保留的相互作用。裂縫模型間傳遞應(yīng)力的大小隨虛擬裂縫的張開寬度而減小，應(yīng)力為零的點(diǎn)就是宏觀裂縫的端點(diǎn)。

3)裂縫區(qū)以外的混凝土材料抗拉時(shí)按照彈性材料處理。

4)混凝土虛擬裂縫間傳遞應(yīng)力的規(guī)律按照σ-ω(裂縫寬度)來(lái)表示，這一規(guī)律是由混凝土單軸拉伸試驗(yàn)來(lái)確定的。

(4)揭示混凝土裂縫模型的擴(kuò)展力學(xué)機(jī)理

混凝土裂縫擴(kuò)展過程中，利用不連續(xù)函數(shù)來(lái)加強(qiáng)常規(guī)的位移模式，加強(qiáng)后的擴(kuò)展函數(shù)為：

式中，ni(x)為裂縫擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)插值形函數(shù)，ui為裂縫擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)位移，ω為裂縫擴(kuò)展的所有節(jié)點(diǎn)集合，ωd為裂縫擴(kuò)展的所有不連續(xù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)集合，ai為考慮不連續(xù)而引入的新的未知量，φ(x)為考慮不連續(xù)而引入的新的富集函數(shù)。

對(duì)于一個(gè)混凝土裂縫如圖3，其擴(kuò)展函數(shù)通常包含以下幾種函數(shù)：

1)heaviside函數(shù)，此函數(shù)是針對(duì)裂縫貫穿單元(節(jié)點(diǎn)用五邊形表示)用來(lái)表述裂縫面位移的不連續(xù)性，此時(shí)式(1)中的φ(x)＝h(x)，h(x)為描述混凝土裂縫不連續(xù)位移場(chǎng)的階躍函數(shù)，表達(dá)式如下：

式中，x是相應(yīng)x點(diǎn)距離裂縫面最近處的投影，n為裂縫上x處單位法向量如圖4所示。

2)裂縫尖端漸進(jìn)函數(shù)，此函數(shù)是針對(duì)裂縫尖端(節(jié)點(diǎn)用圓圈表示)用來(lái)描述裂縫尖端應(yīng)力的奇異性，此時(shí)式(1)中的

其中，r,θ為裂縫尖端的極坐標(biāo)參數(shù)。

3)對(duì)于單元內(nèi)部有多種材料，則此時(shí)式(1)中的引入此函數(shù)來(lái)表述材料邊界的不連續(xù)性。其中，為對(duì)應(yīng)不同材料間的不連續(xù)體界面的水平集函數(shù)。

(5)構(gòu)建建筑物橫梁開裂破壞的情景

建筑物橫梁的破壞失效情景構(gòu)建的實(shí)現(xiàn)過程按如下步驟進(jìn)行。

s1.構(gòu)建建筑物橫梁的三維模型；先用autocad繪制建筑物橫梁的平面圖，然后將繪制完好的平面圖導(dǎo)入3dsmax軟件中創(chuàng)建三維模型，同時(shí)對(duì)所建的三維模型進(jìn)行材質(zhì)的編輯。

s2.對(duì)建筑物橫梁的三維模型施加約束；具體過程是，先將建筑物橫梁簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，然后再根據(jù)簡(jiǎn)支梁的兩端支座情況來(lái)定義模型兩端的約束形式。

s3.對(duì)建筑物橫梁的三維模型施加作用力；作用力的參數(shù)包括作用力的形式、作用點(diǎn)、大小以及作用方向。

s4.建筑物橫梁損傷的可視化構(gòu)建主要包括如下步驟：

s41.利用高頻照相機(jī)采集真實(shí)建筑物橫梁的裂縫初始狀態(tài)圖片以及在荷載作用下真實(shí)建筑物橫梁裂縫擴(kuò)展過程中不同時(shí)刻的圖片；

s42.利用photoshop軟件將所采集裂縫初始狀態(tài)圖片以及裂縫擴(kuò)展過程中不同時(shí)刻的圖片與完好的橫梁外觀圖片進(jìn)行合成得到建筑物橫梁破壞過程的圖片；

s43.借助3dsmax軟件利用貼圖法，將建筑物橫梁破壞過程的圖片按照裂縫初始狀態(tài)到裂縫最終破壞狀態(tài)的順序分別貼在建筑物橫梁的三維模型上，得到建筑物橫梁三維模型破壞過程的圖片；

s44.在arcglobe中實(shí)現(xiàn)建筑物橫梁破壞失效的可視化，利用所具有的矢量數(shù)據(jù)和格柵數(shù)據(jù)，來(lái)創(chuàng)建三維動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)橫梁破壞失效情景的可視化。