立体车库钢结构失效模式分析简化模拟及失效准则

　　徐格宁王建民高有山王文红（太原重型机械学院机电工程分院）统简化模拟方法和确定结构系统失效准则的合理原则，即工程结构系统失效不能统一定义为结构系统蜣变为机构，而应定义为结构系统中某些关键结构元件破坏后，整个结构系统失去继续承栽能力或完成规定功能的能力。本原则不仅适用于立体伴车库钢结构系统，对于其它结构系统也具有普遍理论与实际指导意义。：立体停车库钢结构失效模式1前言立体停车库钢结构是大型复杂、高冗余度的刚架结构系统。鉴于作业对象（小轿车）的篼价值和安全性，使得立体停车库钢结构系统设计的可靠性更为重要。

　　目前，国内外结构可靠性分析都是针对构件，而未考虑载荷变动、构件破坏等因素变化时结构系统内构件之间的相互关系重构。而实际工程结构通常为篼冗余度，作为整体而发挥作用。当结构系统若千构件发生破坏时，应考虑这些构件失效后对结构系统其余元件的内力影响。

　　要对高冗余度的立体停车库钢结构大型复杂系统进行可靠性分析，首先必须把握其失效模式。而如何对结构进行合理的简化与模拟，并确定科学合理的失效准则是研究失效模式的前提，也是本文的任务。

　　2结构系统可靠性分析的基本概念及理论2.1基本概念结构系统的可靠性是结构系统在规定时间内、规定条件下完成规定功能的能力。

　　结构系统可靠度是指度量结构系统可靠性的数童指标，即结构系统在规定时间内、规定条件下完成规定功能的概率。

　　结构系统失效的标志是系统蜕变成机构，或超过规定的变形，或不能继续承受外载荷。

　　主要失效模式是其失效概率要比其它一般失失效准效模式的失效概率大许多。

　　失效元件是结构元件中可能失效的元件或点，也是结构元件可能发生破坏的形式。

　　系统结构元件的失效模式为：对于桁架系统杆单元，由轴向内力可能引起拉伸或压缩破坏而失效，故有一个失效模式和失效元件。而刚架系统的梁单元可能产生塑性铰的区域为梁的两端点和集中力作用处，因此对于单个梁单元，存在三个失效模式和三个失效元件。

　　2.2结构系统可靠性失效横式分析的关键对于高冗余度的大型复杂结构系统，存在许多失效模式，以致在估算系统可靠度或失效概率之前识别所有失效模式十分困难，甚至不可能；而从实际结构分析考虑，识别所有失效模式并无必要。理论和实践分析表明。结构系统的可靠度由对结构系统可靠度负有重要贡献的主要失效模式决定。所以，结构系统可靠性分析的关键是主要失效模式的选择与确定，而选择正确与否将直接影响可靠性计算结果的准确性。

　　2.3结构系统可猩性失效横式分析方法目前结构可靠性分析中确定结构系统主要失效模式的方法如下。

　　P―unzipping法的原理是将结构系统的失效定义为：当系统内有一个或两个或几个元件失效时，即认为结构系统失效，这是在不同级结构上估计结构系统的可靠度。然后依据定义用有限元法确定结构系统的主要失效模式，再计算整个结构系统的可靠度。

　　2.22分枝限界法分枝限界法的原理是对大型结构系统，通过分枝和限界，从众多的失效模，找出主要失效模式计算结构系统的可靠度。选取失效路径中失效元件的运算，称为分枝。根据某种准则抛弃对结构系统失效概率贡献微不足道的次要失效模式所对应的失效路径，只保留主要失效模式对应的失效路径的运算，称为限界。

　　2.2.3优化准则法优化准则法是基于元件载荷和强度的大小由其均值而不是随机量来确定主要失效模式，判断准则是在外载荷均值作用下，元件载荷效应首先达到临界点（塑性元件取为屈服强度的均值，脆性元件取其断裂强度）。在某些增量载荷作用下，可得到*严重的临界元件和若干个次严重临界元件。

　　2.2.4方法分析确定结构系统主要失效模式的方法分为二类，一类是unzipping法和分枝限界法，采用故障树和事件树给出失效模式的网络，再利用网络理论确定主要失效模式，然后用PNETW法计算结构系统的失效概率。本方法遗漏主要失效模式的可熊性小，但计算量大，只适用于中小型结构系统的可靠性分析。另一类是工程准则法和优化准则法，采用增量载荷法中元件的承力比与承力比比值的变化率确定主要失效模式，再借助可靠度的界限理论，由各主要失效模式的发生概率综合求出结构系统的失效概率。工程准则法应用简洁方便、计算速度快，但漏掉主要失效模式的可能性大。而优化准则法能克服其不足，是目前大型复杂结构系统可靠性分析比较理想的方法。

　　3立体停车库钢结构系统的简化模拟3.1结构系统的简化模拟由于实际结构系统的复杂性，直接计算其精确失效概率较困难，甚至不可能。所以在分析结构系统的可靠性时，必须对系统进行合理的简化与模拟，并尽量使真实结构系统的主要失效模式尽可能包括在计算模型中，从而保证较精确地计算出结构系统的可靠度。

　　根据立体停车库结构系统的受力特点，考虑水平载荷和垂直载荷的作用，并综合考虑材料、设备布置等因素，将立体停车库钢结构简化以横梁和立柱组成的承受各种载荷的刚架系统。

　　3.2结构元件的简化模拟对于塑性与脆性材料，失效元件的失效形式是完全脆性和塑性失效。对于完全脆性失效元件，失效后不再具有任何承载能力。

　　而完全塑性失效元件在失效后，仍保留其承载能力。除此之外，还有其它失效形式，如构件在屈曲失效后，仍保留部分承载能力。

　　对于立体停车库钢结构，所用材料为低碳结构钢或低碳合金结构钢，结构元件的破坏可简化为塑性破坏。

　　3.3结构强度的限值风是结构系统在使用期间经常遇到的水平载荷，而且一年中会短时达到较大值，因此抗风设计通常考虑在弹性范围内工作。

　　地震是偶发载荷，在设计年限内可能发生并达到一定值，所以抗震设计允许结构进入弹塑性变形范围，并遵循“小震（多遇地震）不坏（弹性设计），大震（罕遇地震）不倒（弹塑性设计）”的抗震设计准则。

　　根据以上分析，在立体停车库钢结构可靠性失效模式分析中，当以强度为约束条件，考虑风载荷和地震载荷以及垂直方向的结构自重、机械载荷作用时，以材料的屈服极限值作为约束条件（容易推广到刚度和稳定性约束条件）。

　　3.4载荷的简化与模拟无论风载荷还是地震载荷，都随时间较快变化，除风载荷尚存在一段平均力外，均具有动力性质并将引起结构的振动。所以风载荷和地震载荷当按结构动力学分析。由于缺乏统计资料和试验数据，同时本文重点是分析结构系统的失效模式，因此风载荷和地震载荷均以静-动力等效简化之。

　　3.5载荷工况的确定根据作用于立体停车库上各类载荷出现的机率和对结构*不利的作用情况，把可能同时出现的载荷进行合理组合。考虑到立体停车库钢结构系统承受前述各种载荷，并设风载荷和地震载荷作用方向相同，分别沿X轴逆方向、Y轴方向、对角线方向三种情况作用于结构系统上，如所示。

　　C2）提出了立体停车库钢结构系统失效4立体停车库钢结k系统失效准则一般结构系统失效定义是：结构系统不能再按照设计要求完成或实施其规定的功能。但对所有结构作统一的失效定义也不妥。例如静定桁架，当某一杆件因拉伸或压缩破坏而失效时，系统内出现一失效元件，结构将蜕变为机构而失去继续承载能力，此时结构系统失效可定义为结构蜕变为机构，但本准则并不具有一般性。因为对于高冗余度的复杂结构系统，其构件非常多，在结构中所起的作用亦不同：或是在结构系统中起关键作用；或是在结构系统中起连接作用，保持结构几何不变。当系统内某关键构件破坏后，虽然其它构件未破坏，整体结构也未蜕变为机构，但从可靠性而言，整体结构系统不再具备设计所规定的承载功能，此时，认为结构系统己失效。所以，在立体停车库钢结构系统失效模式分析中，当关键失效元件发生破坏（如支撑托盘的悬臂梁与立柱的刚节点蜕变为铰节点）时，则认为整个钢结构系统已失效。

　　综上所述，对于有些结构失效定义为结构系统变为机构较为合理，但对于所有结构系统的失效统一定义为结构系统蜕变为机构却不符合实际情况，应当具体结构具体情况具体定义为妥。

　　5结论综上所述，得出如下主要结论为：（1）提出了立体停车库钢结构系统、结构元件及其所受载荷的合理简化与模拟方法；准则的确定原则，即在对结构系统进行失效模式分析时，对结构系统的失效应具体结构具体定义，不能用统一准则（如结构蜕变为机构）判定结构的失效与否，这一原则对于复杂钢结构系统思想模式分析具有普遍指导意义；（3）完成了立体停车库钢结构系统失效模式分析的简化模拟和失效准则的具体化。