没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
软件X 15(2021)100731原始软件出版物OpenArch:一个用于确定地震荷载下拱的最小厚度的开源软件包Thomas McLeana,Christian Málaga-Chuquitaypea,Mr. Kawan,Nicos Kalapodisb,Georgios Kampasba英国伦敦帝国理工学院土木与环境工程系b英国格林威治大学工程学院ar t i cl e i nf o文章历史记录:收到2021年收到修订版,2021年5月27日接受,2021年保留字:最优拱最小厚度抗震分析极限推力线a b st ra ct拱形结构是一种优雅而高效的结构形式,可用于各种各样的应用,从桥梁到外星屏蔽结构。通常,它们的设计取决于所需的最小厚度的确定,以确保它们在受到重力和横向(惯性)载荷时的稳定性。这项工作提出了一个基于MATLAB的代码称为OpenArch开发的程序编程框架内的初步设计和评估的最佳拱形式的最小厚度时,受到组合自重和地震引起的负载。该程序基于极限推力线分析,可以处理任何经典或非经典的无张力拱形式,其结果与现有的几种解析解相比具有很好的性能版权所有©2021作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)中找到。代码元数据当前代码版本1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-21-00053Code Ocean compute capsule none法律代码许可证GNU GPL v3使用的代码版本控制系统无使用MATLAB的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境依赖性Windows、Mac OS、MATLAB软件包需要MATLAB 2017 b及以上版本(如果可用)开发人员文档/手册链接https://github.com/CMalagaC/OpenArch/tree/main/Documentation如有疑问,请发送支持电子邮件至thomas.o. outlook.com1. 动机和意义拱被广泛用作开放空间覆盖物的结构元件,在初步评估期间,这些荷载通常由质量比例静力表示,本文也采用这种方法。虽然自十七世纪以来,拱一直是深入分析的主题,但对它们在承受水平地震荷载时的最佳形状的研究要少得多。*通讯作者。电子邮件地址:c. imperial.ac.uk(Christian Málaga-Chuquitaype)。https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.100731据作者所知,只有少数研究涉及到这一点。相比之下,大量的研究已经进行了分析砌体拱承受垂直荷载。在这种情况下,圬工拱的最佳形状通常与悬链线相关[1,2]。尽管Milankowitch [3]、Makris和Alexakis [4]提供了证据,他们证明,除了一维拱,容许推力线不可能是悬链线形状,因此类似于悬链线的有限厚度拱不能自动假定为最佳。此外,已经证明,在其自身重量下,悬链线拱没有最小厚度[5]。过去的研究主要是检查拱的稳定性,经典形式下的静态载荷通过分析程序2352-7110/©2021作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY许可证(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页:www.elsevier.com/locate/softxThomas McLean,Christian Málaga-Chuquitaype,Nicos Kalapodis etal.软件X 15(2021)1007312=[1,3,4,6然而,这些分析通常仅限于厚度均匀的圆拱。在他的开创性工作中,Oppenheim [12]将基础运动下的圆弧拱的运动方程表述为8个径向节点。虽然砌体拱的倒塌机制与给定厚度的最小水平加速度正确相关,但预定义的四连杆假设的定义排除了可能起源于整体拱的相邻机制。另一方面,Uzman等人。[13]是最早应用优化方法来开发变截面抛物线和圆弧拱设计的递归关系的人之一。这项工作提出了一个基于MATLAB的软件包,确定最小厚度和相应的崩溃机制的任何形式的拱,无论是单片或楔土时,受到并发重力和地震惯性载荷。该程序允许探索不同方面的影响,最小厚度的拱受到惯性负载,如拱的纵横比,惯性负载的大小以及不同的重力场。该软件还允许估计与可能的塌陷机制相关联的即将发生的铰链位置。重要的是,重力加速度的影响是以重力乘数(α)作为地球重力加速度g的比例来参数化的 9.81 m/ s2.这样,(i)verti-cal地震分量;(ii)附加垂直荷载和/或(iii)地球外重力场。2. 软件描述2.1. 算法描述本文所介绍的推力线分析的数值程序依赖于将拱离散为有限数量的不同块体,其性质总结在表1中。每个块由其顶点的径向坐标定义,(ri,θi)。该算法包含对象的类定义,并将角点的极坐标作为输入,由于采用等效静力法进行极限状态分析,因此取静力水平惯性荷载Fh作为其面积、密度和横向加速度的乘积,并假定作用于每个块体的质心圬工拱可以通过几个砌块来模拟,其中每个砌块代表一个单独的拱,而更多的砌块可以近似于单石结构。此外,还可以通过改变相应块体的径向坐标来改变拱的局部厚度。此外,采用我们的算法还需要在拱弹簧的反作用力的初始估计。以前的工作依赖于垂直和水平力的任意分布,例如[15];相反,我们采用虚功原理-物理可实现性。这些初始反应估计值随后将在本文稍后描述的计算过程中更新。图1.一、索 状多边形的构造。2.1.1. 索状多边形索状多边形定义了整个拱上产生的推力的作用线。这可以通过在图中从左向右移动来可视化。图1(a)描绘了一个承受自重和从左到右的恒定水平(惯性)力(相当于支撑加速度为0)的六拱拱。3g,其中g是地球重力加速度。最初的作用线是反作用力RL的作用线,并且力的垂直分量随着每个块的重量逐渐减小,直到最后一个与另一侧的反作用力RR 重 合。该过程示意性地示于图1中。1(b)对于第i块。构造索状多边形的一种简单方法是使用力多边形来表示结构内的力平衡[6,14]。2.1.2. 推力线施工获得非经典形式的容许推力线所涉及的许多复杂性会使索状多边形的数值计算复杂化,特别是在检查低重力条件或极端侧向力时。相反,一个更简单和更强大的方法的基础上的时刻equi-liquidation的一个块,如图所示。1(c),在此之后。到Thomas McLean,Christian Málaga-Chuquitaype,Nicos Kalapodis etal.软件X 15(2021)1007313表1块属性。计算机变量定义r径向坐标(r1,r2,r3,r4)θ角坐标(θ1,θ2,θ3,θ4)密度材料密度[kg/ m3]A区块面积[m2]M单位宽度的块体质量[kg/ m]W每单位宽度的砌块重量[N/ m]r_cg重心的径向坐标(rcg)theta_cg重心的角坐标(θcg)地面加速度引起的单位宽度惯性载荷[N/m]图二. 极限推力线算法为此,我们认识到,推力分量T1和T2通过构造力多边形而满足水平和垂直平衡因此,通过假设初始点(x1,y1),唯一未知的是坐标对(x2,y2)。首先,我们考虑关于(xcg,ycg)的力矩平衡,其中正力矩是反的;Tv,2xcg+Th, 2ycg+Tv, 1(x 1−xcg)−Th, 1(ycg−y 1)=Tv, 2xThomas McLean,Christian Málaga-Chuquitaype,Nicos Kalapodis etal.软件X 15(2021)10073142+Th, 2y 2(1)Thomas McLean,Christian Málaga-Chuquitaype,Nicos Kalapodis etal.软件X 15(2021)1007315=====−c=��m−1y2强制(x2,y2)必须位于由顶边y=mx+c定义的直线上:−c=mx2−y2(2)导致:[a]=[Tv,2Th,2]{x2}A= TX =X= T−1 A其中a=Tv,2xcg+Th,2ycg+Tv,1(x1−xcg)−Th,1(ycg−y1)。2.2. 极限推力线算法反作用力的初始估计值(假设作用在每个支座的中点处,并通过虚功原理计算)是一个很好的第一近似值,但可能导致一组不可接受的推力(即,给出的推力线不在拱形几何形状内)。为了收敛到一个可行的极限推力线的迭代过程是必需的。为此,我们的算法允许用户指定一个范围内的开始(右手侧)和结束(左手侧)点的推力线。这些限制可以根据拱在其弹簧处的厚度、桥台的条件或其他项目特定的设计标准来设置。力多边形极点的垂直位置控制着系统中垂直推力的大小,它将决定推力线的终点。因此,通过迭代地调整杆的垂直位置,可以找到在用户类似地,力多边形极点的水平位置控制系统中的水平推力的量,更多的水平推力产生“平坦”的利用这些原理,迭代地调整杆的水平位置,使其变陡或变浅,直到找到一个容许推力线。一旦找到一个容许推力线,就用二分法找到恰好位于拱几何形状内的极限推力线。详细过程如图所示。 二、2.3. 最小厚度算法上述数值框架可以很容易地适用于最小厚度搜索程序。为此,我们观察到,当水平惯性载荷从左向右施加时,拱在自重作用下的最小推力线的起点和终点向右这方面的证据可以在在文献中提出的崩溃机制,例如,[6,16],包括拥抱角度不等于180°的情况。假设该效应将发生在标准几何形状的任何拱中提供了一种有条理的方法来寻找一个限制推力线。一旦推力线到达左支座的内弧面或右支座的外弧面,这些点所暗示的铰点将保持在那里。因此,一旦发生这种情况,可以假设起点和终点是固定的;因此最小化所需的迭代次数。然而,对于小的横向载荷和更复杂的非经典拱形式,这种假设可能不成立,在这种情况下,可以取消这种条件,并进行额外的要确定承受水平惯性荷载的拱的最小厚度,首先要分析拱在自重作用下的稳定性。为此,应确定推力线的终点和起点,以确保其对称性。拱的厚度然后可以以恒定步长迭代地减小,直到不能找到新的容许推力线。迭代地图三. 半圆拱最小厚度计算与解析解[6]的收敛性。是无量纲惯性载荷u g/g,其中u g是地面加速度。以较小的步长重复该过程将允许以期望的精度水平找到最小厚度。同样的过程可以用来计算承受水平惯性荷载的拱的最小厚度。然而,在这种情况下,对于右支撑处的推力线的每个起点,实施附加步骤以允许终点移动通过左支撑的厚度在本文中,最小厚度,在厚度超过上升,t/ R,计算到小数点后五位,以方便其与分析公式进行比较,如果可用。图图3示出了上述最小厚度a1-a2 m的收敛。根据Alexakis和Makris [6]给出的半圆拱的分析结果计算相对误差。对于无量纲惯性载荷的增加水平,给出了三组结果,其中u g是地面加速度,g9 .第九条。81 m/ s2是加速度地球上的重力。在仅自重的情况下,为100。6.推力线的起始和终止位置在拱背或拱内都是先验已知的,因此不需要通过任一支撑的厚度进行迭代。在这两种情况下,误差很快接近0%,只有40个块。在案件中,0的情况。3推力器的位置─在左支撑处的线是未知的,因此算法必须搜索其厚度。为此,左翼的支持被离散化为200个增量。这些额外的迭代导致计算时间的明显增加,并且算法收敛到0.09%的相对误差。3. 对经典拱型将OpenArch生成的推力线及其相应的最小厚度输出与Alexakis和Makris [6]提供的半圆拱分析结果以及Kampas等人[16]提供的抛物线拱分析结果进行比较。比较是建立在两个方面的最低厚度和不同无量纲惯性载荷的预测铰链位置,ε=u?g/g。(三Thomas McLean,Christian Málaga-Chuquitaype,Nicos Kalapodis etal.软件X 15(2021)1007316−=表2图四、 半圆形 拱的最小厚度。Alexakis和Makris根据分析溶液进行验证[6]。为了实现铰链位置的合理估计,在恒定水平加速度下承受等效静载荷的半圆拱最小厚度的验证n=u? g/g[-][6]。t =u? g/gt/R(分析)t/R(数值)相对误差(%)2017年10月31日13597 0.05它们只能出现在离散的块边缘。图4(a)显示了所遵循的命名法和惯例。此外,推力线的开始和结束位置被离散为沿拱架厚度的200个增量。表2显示了最小值的数值和分析结果之间0.20.30.168970.206360.169080.206480.070.06最小厚度比t/R,而铰链位置如图所示0.40.247520.247580.02图4(b).0.50.60.291750.337880.291700.33785−0.02−0.01表2和图4(b)中的数值结果显示,我们的预测与分析结果非常接近。表3在恒定水平加速度下,等效静惯性荷载作用下抛物线拱最小厚度的验证=u? g/g[-][16]。t=u? g/gt/R(分析)t/R(数值)相对误差(%)0.15结果对于0.00,观察到最小厚度的最大相对误差为0.07%。2.这些优异的成绩也可见一斑在铰链位置,确认所估计的推力线具有正确的形状。这是至关重要的形状的推力线将形成的基础上,形式发现算法提出半圆拱使用100个具有径向边缘的块来准确表示几何形状,以便与[6]的分析结果这种相对较高的离散化是必要的抛物线拱的机制。简单地说,低重力有效地放大了给定水平的为了确保算法足够稳健以应对低重力的影响0.000.050.0238630.0379630.023860.03802−0.01稍后在本文中。0.100.200.0568310.1001090.057100.101310.471.20抛物线拱0.300.1454160.147641.53由Kampas等人提供的分析解决方案[16]关于0.400.1916230.194701.61抛物线拱也用于验证目的。 图第5条(a)款0.500.600.79160.2384160.2856920.3775150.242050.289560.380971.521.350.92这是通过的公约。假设径向破裂,使用了500块,以达到较高的1.05540.5067640.508270.30考虑到抛物线的相对复杂性,1.20480.5815000.581950.08拱门,拱门的顶部特别陡峭。的1.31930.6395960.639840.04Kampas等人的研究[16]第一个考虑的是低重力条件下的最小厚度和坍塌Thomas McLean,Christian Málaga-Chuquitaype,Nicos Kalapodis etal.软件X 15(2021)1007317图五. 最小厚度的抛物线拱。极端载荷的结果也与分析结果进行了验证。表3和图图5显示了使用数值方法计算的最小厚度和铰链位置以及分析结果。最小厚度的相对误差从自重情况下的0.01%增加到φ= 0时的1.61%。4,在2010年降至0.04%之前=1 .一、31926. 这是由于这是前面提到的拱顶区域的陡峭度。数值方法预测在接近这个区域φ2时铰链位置略低。这是因为在该由于数值方法预测的角度φ2较低,因此其与φ3的分离这Thomas McLean,Christian Málaga-Chuquitaype,Nicos Kalapodis etal.软件X 15(2021)1007318图六、 在自重和不同水平恒定水平加速度下最小厚度半圆形和抛物线形拱倒塌机理的比较φ=u? g/g,其中ug为地面加速度,t/R为厚高比。两个铰链之间较大的间隔是最小厚度略微高估的原因。等厚度在2.3节中介绍的最小厚度算法可以用来求解在不同惯性载荷下的任何几何形状的拱。例如,有多种方法将抛物线拱定义为穿过其中线的径向切口,不一定是垂直的[16]。或者换句话说,不可能确保垂直于中线的恒定厚度以及具有相同形式的内弧面和外弧面。 特别地,至少存在三种选择:(i)内弧面和外弧面由类似于中心线的抛物线限定,(ii)假定垂直于中线的恒定厚度,以及(iii)假定恒定的径向厚度(对于给定的参考点)。虽然这三个选项之间的几何形状差异很小,但它们将导致对最小厚度和铰链位置的不同估计此外,Makris和Alexakis [4]已经证明,根据牙弓的立体切割,推力线采用不同的形状。在这一节中,抛物线拱等厚度垂直于他们的中线检查。这些拱的行为方式几乎相同的抛物线拱与径向削减确认在前面的部分,虽然有一个小的减少,在最小厚度。 这些结果,计算使用100块径向边缘,在图。5(c). 图5(a)中给出的相同命名约定也适用。直接引人注目的结果是,抛物线拱在较低载荷下比半圆拱更有效。当仅承受自重时,半圆形拱的厚度约为其上升的11%,而抛物线拱的厚度为2.4%(见表2和表3)。抛物线拱在较小荷载作用下的破坏机理与半圆拱不同。在图6中进一步探讨了这一特征,图6显示了在各种载荷条件下最小厚度的半圆形和抛物线形拱与半圆形情况完全相反,φ1和φ3对应于拱背铰,而φ2和弹性铰出现在内拱背。这种差异导致抛物线拱在自重作用下向内屈曲,而半圆拱则向外屈曲。尽管存在这种初始差异,但在足够高的侧向载荷下,两种几何形状均收敛于Alexakis和Makris [6]确定的相同的双弹簧四铰链机构在过渡到这种状态时,抛物线拱的φ1顺时针旋转到右拱的拱背这是证明了铰链旋转图。图5(c)中,φ1撞击弹簧后不久,φ2和φ3开始反向。4. 影响拱在地震和竖向荷载共同作用下的稳定性是结构力学中的一个基本问题。拱门是一种多功能和优雅的结构,在民用基础设施中无处不在,从乡土建筑到最近提出的外星栖息地[17]。这里介绍的软件包可以快速准确地估计Thomas McLean,Christian Málaga-Chuquitaype,Nicos Kalapodis etal.软件X 15(2021)1007319与这些结构的稳定行为及其相应的失效机制相关的最小厚度。问题参数的规范很简单,代码也很友好。该代码已根据可用的解析解进行了验证,并已用于深入了解[16]中抛物线形拱的力学此外,该软件可以并入找形算法中,以便轻松探索更先进的几何形状,如[18]。所有这些功能使OpenArch成为对优化结构设计感兴趣的研究人员和工程师的有用工具。5. 结论本文介绍了OpenArch软件包的实现和特点,该软件包可用于识别任意几何形状的最小厚度拱及其在地震作用下的相应倒塌机理已根据科学文献中可用的分析公式对软件输出进行了验证。这表明了代码在处理经典几何形状时的能力,尽管代码可以处理更复杂构型的拱在这方面,OpenArch没有固定的厚度要求,预计它可以用于工程师和研究人员在极端载荷下探索非标准拱形式。竞合利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作确认第三和第四作者的工作得到了英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)通过EP/S 036393/1资助的支持。这种财政支助是感激的承认。引用[1] 海曼·J《石头骷髅》Int J Solids Struct 1966;2(2):249网址://dx.doi.org/10.1016/0020-7683(66)90018-7.[2]本韦努托湖结构力学史导论。第 二卷:拱形结构和弹性系统。Berlin,NewYork:Springer-Verlag;1991.[3]米兰科维奇Beitrag zur theorie der druckkurven(PhD thesis),Vienna:DissertationzurErlangungderDoktorwürde,KKtechnischeHochschule;1904.[4] 放大图片创作者:Makris N,Alexakis H.立体切割对半圆形石拱推力线形状 和 最 小 厚 度 的 影 响 。 Arch Appl Mech 2013;83 ( 10 ) : 1511-33.http://dx.doi.org/10.1007/s00419-013-0763-4.[5] Nikolić D. 有 限 厚 度 悬 链 线 拱 为 最 优 拱 型 。 Struct Multiplexp Optim2019;60(5):1957-66. http://dx.doi.org/10.1007/s00158-019-02304-9.[6]作者:Alexakis H.圆形砌体拱承受侧向惯性荷载的极限平衡分析和最小厚度。Arch Appl Mech 2014;84(5):757-72. http://dx.doi.org/10.1007/s00419-014-0831-4.[7]Gáspár O,Sipos AA,Sajtos I.立体切割对半圆形砌体拱最小厚度下限值的影响。IntJArchitHeritage2018;12(6):899-921.http://dx.doi.org/10.1080/15583058的网站。2017.1422572。[8] 宝贝圬工拱静力学的若干问题Massible Struc- tures:Between Mechanicsand Architecture ( Massible Struc- tures : Between Mechanics andArchitecture)Springer; 2015,p. 265-90. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-13003-3_10网站。[9]Ricci E,Fraddosio A,Piccioni MD,Scarlet E.确定圬工拱最佳推力曲线的一种新数值方法。EurJMechASolids2019;75:426-42.http://dx.doi.org/10.1016/j.euromechsol.2019.02.003网站。[10]2005年10月27日,中国科学院院士。运动崩溃负荷计算器:圆拱。SoftwareX2018;7:174-9. http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2018.05.006网站。[11]Zampieri P,Amoroso M,Pellegrino C.扩展支撑上的圬工扶壁拱。见:结构,第20卷。Elsevier; 2019,p. 226-36. 网址://dx.doi.org/10.1016/j.istruc.2019.03.008网站。[12]奥本海姆IJ砌体拱作为一个四连杆机构下的基础运动。Earthq Eng Struct Dyn1992;21(11):1005-17. http://dx.doi.org/10的网站。1002/eqe.4290211105。[13]Uzman U,Daloglu A,Saka MP.变截面抛物线拱和圆弧拱的优化设计。结构工程机械:国际J1999;8(5):465-76。http://dx.doi.org/10.12989/sem.1999.8.5.465网站。[14] 作 者 : J. J.作 为 悬 挂 灵 活 的 线 : 石 砌 拱 门 的 平 衡 Nexus Netw J 2006;8(2):13-24. http://dx.doi.org/10.1007/s00004-006-0015-9.[15] 作 者 : J. T. 面 内 地 震 荷 载 作 用 下 砌 体 拱 的 找 形 算 法 。 Comput Struct2018;195:85-98. http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruc.2017.10.001网站。[16][10]杨文,王文,王文.用变分公式分析在不同重力场中受惯性载荷的抛物线拱的极限状态。工程结构2021;228:111501。http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.111501网站。[17]Kalapodis N,Kampas G,Ktenidou O-J.对外星结构设计的回顾:从风化层到人类前哨。ActaAstronaut2020;175:540-69.http://dx.doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.05.038网站。[18]麦 克 莱 恩 低 重 力 条 件 下 惯 性 荷 载 作 用 下 风 化 土 拱 的 最 佳 形 式 。 MEngdissertation,Imperial CollegeLondon;2020.
下载后可阅读完整内容,剩余1页未读,立即下载
cpongm
- 粉丝: 4
- 资源: 2万+
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 收起
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
会员权益专享
最新资源
- zigbee-cluster-library-specification
- JSBSim Reference Manual
- c++校园超市商品信息管理系统课程设计说明书(含源代码) (2).pdf
- 建筑供配电系统相关课件.pptx
- 企业管理规章制度及管理模式.doc
- vb打开摄像头.doc
- 云计算-可信计算中认证协议改进方案.pdf
- [详细完整版]单片机编程4.ppt
- c语言常用算法.pdf
- c++经典程序代码大全.pdf
- 单片机数字时钟资料.doc
- 11项目管理前沿1.0.pptx
- 基于ssm的“魅力”繁峙宣传网站的设计与实现论文.doc
- 智慧交通综合解决方案.pptx
- 建筑防潮设计-PowerPointPresentati.pptx
- SPC统计过程控制程序.pptx
资源上传下载、课程学习等过程中有任何疑问或建议,欢迎提出宝贵意见哦~我们会及时处理!
点击此处反馈
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功