城市建筑群地震反应非线性历程分析方法及装置

摘要

本发明公开了一种城市建筑群地震反应非线性历程分析方法及装置，其中，方法包括：采集建筑数据；根据建筑数据获取建筑数据对应的模型；根据建筑数据对应的模型建立建筑数据对应的多质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型；根据每个建筑输入的地震动的加速度时间历程数据通过多质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型进行非线性历程计算，以得到非线性历程计算结果；以及根据非线性历程计算结果得到每个建筑每个楼层的震害状态及分析结果。该方法能够准确反应不同高度建筑震害特征，更接近实际震害，计算效率高且建模方法简单，可以用于城市典型地震情景带来准确及时的震害预测与震害分析。

权利要求

1.一种城市建筑群地震反应非线性历程分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集建筑数据，其中，所述建筑数据包括结构类型、建筑高度、建筑层数、建造年代、楼层面积和使用功能中的一项或多项；

根据所述建筑数据获取所述建筑数据对应的模型；

根据所述建筑数据对应的模型建立所述建筑数据对应的多质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型，其中，所述根据所述建筑数据对应的模型建立所述建筑数据对应的多质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型，进一步包括：根据所述使用功能、所述建筑高度以及所述结构类型对未设防砌体、砌体结构、框架结构以及预设层以下结构建立所述多质点剪切串联模型，且对剪力墙结构、框架剪力墙结构与预设层及预设层以上建筑建立所述多质点并联剪切弯曲协调模型；其中，根据所述结构类型、所述建筑高度、所述建筑层数、所述建造年代、所述楼层面积和所述使用功能确定所述多质点剪切串联模型，其中，所述多质点剪切串联模型的骨架线为三线性骨架线，层间往复受力关系采用单参数往复受力模型；根据所述结构类型、所述建筑高度、所述建筑层数、所述建造年代、所述楼层面积和所述使用功能确定所述多质点并联剪切弯曲协调模型，其中，所述多质点并联剪切弯曲协调模型由弯曲梁、剪切梁和刚性链杆构成，以同时考虑高层建筑的弯曲变形和剪切变形；

根据每个建筑输入的地震动的加速度时间历程数据通过所述多质点剪切串联模型或所述多质点并联剪切弯曲协调模型进行非线性历程计算，以得到非线性历程计算结果；以及根据所述非线性历程计算结果得到所述每个建筑每个楼层的震害状态及分析结果，其中，所述每个建筑每个楼层的震害状态及分析结果包括每个建筑每个楼层的震害状态、每个建筑每个楼层的位移历程结果、每个建筑每个楼层的速度历程结果、每个建筑每个楼层的加速度历程结果和城市建筑群地震反应与破坏状态的可视化图片与动画。

2.根据权利要求1所述的城市建筑群地震反应非线性历程分析方法，其特征在于，所述根据每个建筑输入的地震动的加速度时间历程数据通过所述多质点剪切串联模型或所述多质点并联剪切弯曲协调模型进行非线性历程计算，进一步包括：获取所述每个建筑输入的加速度时程数据；

根据所述加速度时程数据通过结构动力学中的运动方程进行结构的非线性历程分析。

3.一种城市建筑群地震反应非线性历程分析装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集建筑数据，其中，所述建筑数据包括结构类型、建筑高度、建筑层数、建造年代、楼层面积和使用功能中的一项或多项；

获取模块，所述获取模块与所述采集模块相连，用于根据所述建筑数据获取所述建筑数据对应的模型；

构建模块，所述构建模块与所述获取模块相连，用于根据所述建筑数据对应的模型建立所述建筑数据对应的多质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型，其中，所述构建模块具体用于根据使用功能、建筑高度以及结构类型对未设防砌体、砌体结构、框架结构以及预设层以下结构建立所述多质点剪切串联模型，且对剪力墙结构、框架剪力墙结构与预设层及预设层以上建筑建立所述多质点并联剪切弯曲协调模型；其中，根据所述结构类型、所述建筑高度、所述建筑层数、所述建造年代、所述楼层面积和所述使用功能确定所述多质点剪切串联模型，其中，所述多质点剪切串联模型的骨架线为三线性骨架线，层间往复受力关系采用单参数往复受力模型；根据所述结构类型、所述建筑高度、所述建筑层数、所述建造年代、所述楼层面积和所述使用功能确定所述多质点并联剪切弯曲协调模型，其中，所述多质点并联剪切弯曲协调模型由弯曲梁、剪切梁和刚性链杆构成，以同时考虑高层建筑的弯曲变形和剪切变形；

计算模块，所述计算模块与所述构建模块相连，用于根据每个建筑输入的地震动的加速度时间历程数据通过所述多质点剪切串联模型或所述多质点并联剪切弯曲协调模型进行非线性历程计算，以得到非线性历程计算结果；以及分析模块，所述分析模块与所述计算模块相连，用于根据所述非线性历程计算结果得到所述每个建筑每个楼层的震害状态及分析结果，其中，所述每个建筑每个楼层的震害状态及分析结果包括每个建筑每个楼层的震害状态、每个建筑每个楼层的位移历程结果、每个建筑每个楼层的速度历程结果、每个建筑每个楼层的加速度历程结果和城市建筑群地震反应与破坏状态的可视化图片与动画。

4.根据权利要求3所述的城市建筑群地震反应非线性历程分析装置，其特征在于，所述计算模块具体用于获取所述每个建筑输入的加速度时程数据，并根据所述加速度时程数据通过结构动力学中的运动方程进行结构的非线性历程分析。

说明书

城市建筑群地震反应非线性历程分析方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及土木工程技术领域，特别涉及一种城市建筑群地震反应非线性历程分析方法及装置。

背景技术

[0002] 我国地震频发，大量人口稠密的城市处于高烈度地区，一旦发生地震，将造成严重的人员伤亡和经济损失。为了降低地震带来的城市经济损失与人员伤亡，对城市建筑地震
群响应的合理预测显得尤为重要。

[0003] 目前的城市建筑群震害分析方法主要为：易损性矩阵方法和能力谱法。易损性矩阵法仅适用于震害资料丰富的地区，且不适合推广；能力谱法难以考虑地震动的时域特性
对结构的影响；因此，这两种方法都难以满足我国城市建筑群震害分析的需要

发明内容

[0004] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

[0005] 为此，本发明的一个目的在于提出一种城市建筑群地震反应非线性历程分析方法，该方法能够准确反应不同高度建筑震害特征，简洁且效率高。

[0006] 本发明的另一个目的在于提出一种城市建筑群地震反应非线性历程分析装置。

[0007] 为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种城市建筑群地震反应非线性历程分析方法，包括以下步骤：采集建筑数据；根据所述建筑数据获取所述建筑数据对应的模
型；根据所述建筑数据对应的模型建立所述建筑数据对应的多质点剪切串联模型或多质点
并联剪切弯曲协调模型；根据每个建筑输入的地震动的加速度时间历程数据通过所述多质
点剪切串联模型或所述多质点并联剪切弯曲协调模型进行非线性历程计算，以得到非线性
历程计算结果；以及根据所述非线性历程计算结果得到所述每个建筑每个楼层的震害状态
及分析结果。

[0008] 本发明实施例的城市建筑群地震反应非线性历程分析方法，通过建筑数据建立多质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型，并根据地震动的加速度时间历程数据
进行非线性历程计算，根据计算结果分析每个建筑每个楼层的震害状态，达到准确反应不
同高度建筑震害特征，更接近实际震害的效果，且计算效率高且建模方法简单，可以用于城
市典型地震情景带来准确及时的震害预测与震害分析。

[0009] 另外，根据本发明上述实施例的城市建筑群地震反应非线性历程分析方法还可以具有以下附加的技术特征：

[0010] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述建筑数据包括结构类型、建筑高度、建筑层数、建造年代、楼层面积和使用功能中的一项或多项。

[0011] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述建筑数据对应的模型建立所述建筑数据对应的多质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型，进一步包括：根
据所述使用功能、所述建筑高度以及所述结构类型对未设防砌体、砌体结构、框架结构以及
预设层以下结构建立所述多质点剪切串联模型，且对剪力墙结构、框架剪力墙结构与预设
层及预设层以上建筑建立所述多质点并联剪切弯曲协调模型。

[0012] 进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述的城市建筑群地震反应非线性历程分析方法中，根据所述结构类型、所述建筑高度、所述建筑层数、所述建造年代、所述楼层面
积和所述使用功能确定所述多质点剪切串联模型，其中，所述多质点剪切串联模型的骨架
线为三线性骨架线，层间往复受力关系采用单参数往复受力模型；根据所述结构类型、所述
建筑高度、所述建筑层数、所述建造年代、所述楼层面积和所述使用功能确定所述多质点并
联剪切弯曲协调模型，其中，所述多质点并联剪切弯曲协调模型由弯曲梁、剪切梁和刚性链
杆构成，以同时考虑高层建筑的弯曲变形和剪切变形。

[0013] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据每个建筑输入的地震动的加速度时间历程数据通过所述多质点剪切串联模型或所述多质点并联剪切弯曲协调模型进行非
线性历程计算，进一步包括：获取所述每个建筑输入的加速度时程数据；根据所述加速度时
程数据通过结构动力学中的运动方程进行结构的非线性历程分析。

[0014] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述每个建筑每个楼层的震害状态及分析结果包括每个建筑每个楼层的震害状态、每个建筑每个楼层的位移历程结果、每个建筑每
个楼层的速度历程结果、每个建筑每个楼层的加速度历程结果和城市建筑群地震反应与破
坏状态的可视化图片与动画。

[0015] 为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种城市建筑群地震反应非线性历程分析装置，包括：采集模块，用于采集建筑数据；获取模块，所述获取模块与所述采集模
块相连，用于根据所述建筑数据获取所述建筑数据对应的模型；构建模块，所述构建模块与
所述获取模块相连，用于根据所述建筑数据对应的模型建立所述建筑数据对应的多质点剪
切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型；计算模块，所述计算模块与所述构建模块相
连，用于根据每个建筑输入的地震动的加速度时间历程数据通过所述多质点剪切串联模型
或所述多质点并联剪切弯曲协调模型进行非线性历程计算，以得到非线性历程计算结果；
以及分析模块，所述分析模块与所述计算模块相连，用于根据所述非线性历程计算结果得
到所述每个建筑每个楼层的震害状态及分析结果。

[0016] 本发明实施例的城市建筑群地震反应非线性历程分析装置，通过建筑数据建立多质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型，并根据地震动的加速度时间历程数据
进行非线性历程计算，根据计算结果分析每个建筑每个楼层的震害状态，达到准确反应不
同高度建筑震害特征，更接近实际震害的效果，且计算效率高且建模方法简单，可以用于城
市典型地震情景带来准确及时的震害预测与震害分析。

[0017] 另外，根据本发明上述实施例的城市建筑群地震反应非线性历程分析装置还可以具有以下附加的技术特征：

[0018] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述构建模块具体用于根据使用功能、建筑高度以及结构类型对未设防砌体、砌体结构、框架结构以及预设层以下结构建立所述多质
点剪切串联模型，且对剪力墙结构、框架剪力墙结构与预设层及预设层以上建筑建立所述
多质点并联剪切弯曲协调模型。

[0019] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述计算模块具体用于获取所述每个建筑输入的加速度时程数据，并根据所述加速度时程数据通过结构动力学中的运动方程进行结
构的非线性历程分析。

[0020] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述每个建筑每个楼层的震害状态及分析结果包括每个建筑每个楼层的震害状态、每个建筑每个楼层的位移历程结果、每个建筑每
个楼层的速度历程结果、每个建筑每个楼层的加速度历程结果和城市建筑群地震反应与破
坏状态的可视化图片与动画。

[0021] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0022] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0023] 图1为根据本发明实施例的城市建筑群地震反应非线性历程分析方法的流程图；

[0024] 图2为根据本发明实施例的城市建筑群地震反应非线性历程分析方法的流程图；

[0025] 图3为根据本发明一个实施例的多质点剪切串联模型和多质点并联剪切弯曲协调模型示意图；

[0026] 图4为根据本发明一个实施例的模型三线性骨架线与层间单参数往复受力模型示意图；

[0027] 图5为根据本发明一个实施例的框架结构模型参数标定的流程图；

[0028] 图6为根据本发明一个实施例的框架结构骨架线承载力参数标定流程图；

[0029] 图7为根据本发明一个实施例的框架结构骨架线位移参数标定流程图；

[0030] 图8为根据本发明一个实施例的砌体结构骨架线承载力参数标定流程图；

[0031] 图9为根据本发明一个实施例的非设防砌体结构骨架线峰值承载力取值概率分布图；

[0032] 图10为根据本发明一个实施例的砌体结构骨架线位移参数标定流程图；

[0033] 图11为根据本发明一个实施例的高层建筑模型参数标定的流程图；

[0034] 图12为根据本发明一个实施例的唐山市区建筑年代和建筑类型的组成图；

[0035] 图13为根据本发明一个实施例的输入地震动的时程曲线；

[0036] 图14为根据本发明一个实施例的输入地震动的PGA衰减关系图；

[0037] 图15为根据本发明一个实施例的城市建筑群地震反应非线性历程分析装置结构示意图。

具体实施方式

[0038] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0039] 下面参照附图描述根据本发明实施例提出的城市建筑群地震反应非线性历程分析方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的城市建筑群地震反应非线性
历程分析方法。

[0040] 图1为根据本发明实施例的城市建筑群地震反应非线性历程分析方法的流程图，结合图1和图2对本发明实施例提出的城市建筑群地震反应非线性历程分析方法进行详细
讲解。

[0041] 如图1所示，该城市建筑群地震反应非线性历程分析方法包括以下步骤：

[0042] 在步骤S101中，采集建筑数据。

[0043] 在本发明的一个实施例中，建筑数据包括结构类型、建筑高度、建筑层数、建造年代、楼层面积和使用功能中的一项或多项。

[0044] 可以理解的是，建筑数据可以通过实地调研、查阅GIS(Geographic Information System地理信息系统)信息等相关渠道获取。进一步地，获取所考虑区域范围内每栋建筑的
具体信息，对于一些重要建筑，可以搜集更加详细的信息，如建筑图纸等，进行精细有限元
模型建立，并获取相关参数，以供后续参数确定，使得模拟结果更加准确。

[0045] S102：根据建筑数据获取建筑数据对应的模型。

[0046] 在本发明的一个实施例中，根据使用功能、建筑高度以及结构类型对未设防砌体、砌体结构、框架结构以及预设层以下结构建立多质点剪切串联模型，且对剪力墙结构、框架
剪力墙结构与预设层及预设层以上建筑建立多质点并联剪切弯曲协调模型。

[0047] 具体地，可以依据建筑的使用功能、建筑高度以及结构类型，未设防砌体、砌体结构、框架结构以及10层以下结构应选用多质点剪切串联模型，因为该模型可以准确的把握
该类建筑在地震作用下的剪切变形模式；剪力墙结构、框架剪力墙结构与10层及10层以上
建筑建立多质点并联剪切弯曲协调模型，因为该模型可以准确的把握该类建筑在地震作用
下剪切-弯曲耦合的变形模式。

[0048] S103：根据建筑数据对应的模型建立建筑数据对应的多质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型。

[0049] 在本发明的一个实施例中，城市中存在大量中低层建筑，大部分中低层建筑结构类型明确，形体规则，通常表现出较为明显的剪切变形模式。因此可以将每栋建筑简化成图
3(a)所示的多质点剪切串联模型。该模型假设结构每一层的质量都集中在楼面上，认为楼
板为刚性并且忽略楼板的转动位移，因此可以将每一层简化成一个质点。不同楼层之间的
质点通过剪切弹簧连接在一起。楼层之间剪切弹簧的力-位移关系如图4所示。其中骨架线
为三线性骨架线，如图4(a)所示，层间滞回模型采用图4(b)所示的单参数滞回模型。

[0050] 其中，高层建筑的侧向整体弯曲变形不可忽略，因此可以将每栋建筑简化为图3(b)所示的多质点并联剪切弯曲协调模型，该模型采用三线性骨架线，能够同时考虑高层建
筑的弯曲变形和剪切变形。

[0051] 针对上述两种模型以及不同结构类型的结构，本发明的一个实施例分别采用不同的参数标定方法，参数标定方法是建立在建筑抗震设计规范、大量的试验数据和数值分析
的基础之上的。因此，无论是何种结构类型，都只需要知道建筑的结构类型、高度、层数、建
造年代、楼层面积、实用功能等宏观信息，就可以确定图3中骨架线和滞回模型中的各个参
数，简单方便，从而非常适用于大规模区域建筑群的建模。

[0052] 下面将对本发明实施例的各类结构的参数确定方法进行详细介绍：

[0053] 首先，进行框架结构的参数确定流程，框架结构的参数确定流程如图5所示，具体包括：

[0054] (1)弹性参数标定。

[0055] 其中，弹性参数包括各层的质量和刚度参数。

[0056] 在本发明的一个实施例中，各层的质量m可以根据单位楼层面积的质量乘以楼层面积得到；层间的剪切刚度可以根据各层的质量和一阶周期T1根据式(1)得到。得到m和k0
后就可以得到结构的刚度矩阵和质量矩阵。

[0057]

[0058] 其中，[Φ1]是结构一阶振型的振型向量；[A]和[I]分别为刚度矩阵[K]和质量矩阵[M]的系数矩阵；一阶周期T1可以根据中国建筑结构荷载规范(GB 50009-2012)中建议的
公式计算，如式(2)所示，对于结构平面长短轴方向尺寸相差较大的结构，模型建议采用式
(3)计算一阶周期。

[0059] T1＝(0.05～0.1)n，   (2)

[0060]

[0061] 其中，n为结构的楼层数，H为房屋总高度，B为房屋平面宽度。

[0062] (2)骨架线参数标定。

[0063] 骨架线参数包括承载力参数和位移参数，其承载力参数标定过程如图6所示，位移参数标定过程如图7所示。

[0064] (a)承载力参数包括设计承载力、屈服承载力、峰值承载力和极限承载力。

[0065] 框架结构都经过严格的抗震设计，因此各楼层的设计承载力Vd,i可以根据规范中设计承载力的计算方法得到，该模型采用底部剪力法来计算结构的各层设计承载力。

[0066] 进行屈服承载力Vy,i和峰值承载力Vp,i分别用式(4)和(5)计算。

[0067] Vy,i＝ΩyVd,i，   (4)

[0068] Vp,i＝ΩpVy,i，   (5)

[0069] 其中，y为RC框架结构的屈服超强系数，在该模型中建议取y＝1.1；p为结构的峰值超强系数，根据式(6)、(7)、(8)计算。

[0070] Ωp＝K1K2，   (6)

[0071] K1＝0.1519DI2-2.8238DI+14.9082，   (7)

[0072] K2＝1-(0.0099n-0.0197)，   (8)

[0073] 其中DI为的结构的抗震设防烈度，n为结构的层数。

[0074] 可以理解的是，因为框架结构具有很好的延性，所以取极限承载力等于峰值承载力。

[0075] (b)位移参数包括屈服位移、峰值位移和极限位移。屈服位移、峰值位移和极限位移分别根据式(9)、(10)、(11)确定。

[0076] Δuy,i＝Vy,i/k0，   (9)

[0077] Δup,i＝Vp,i/ksecant，   (10)

[0078] Δuu,i＝δcompleteh，   (11)

[0079] ksecant＝ηk0，   (12)

[0080] 其中k0为结构层间初始刚度；层间剪切的割线刚度ksecant(图6所示)可以根据式(12)计算得到，η为结构达到峰值承载力时割线刚度折减系数。δcomplete为结构毁坏时的层间
位移角，h为结构的层高。

[0081] (3)滞回参数标定。

[0082] 滞回耗能参数τ可以根据式(13)计算：

[0083]

[0084] 其中，Ap为捏拢包络线所围成的面积；Ab为理想弹塑性滞回曲线所围成的面积。

[0085] 接着，在本发明的一个实施例中，确定砌体结构参数。

[0086] 在本发明的一个实施例中，将砌体结构分为未设防砌体结构和设防砌体结构，两类砌体结构的弹性参数以及滞回参数的确定方法和框架结构类似；但骨架线参数标定方法
与框架结构有较大差异，具体包括：

[0087] (1)弹性参数标定

[0088] 各层的质量m可以根据单位楼层面积的质量乘以楼层面积得到；层间的剪切刚度可以根据各层的质量和一阶周期T1根据式(1)得到。得到m和k0后就可以得到结构的刚度矩
阵和质量矩阵。未设防砌体和设防砌体的一阶周期可以分别按照式(14)和式(15)确定；对
于结构平面长短轴方向尺寸相差较大的结构，模型建议采用式(16)和(17)计算一阶周期。

[0089] T1＝0.064+0.053n，未设防砌体结构，   (14)

[0090] T1＝0.221+0.025n，设防砌体结构，   (15)

[0091]

[0092]

[0093] (2)骨架线参数标定。

[0094] (a)未设防砌体结构和设防砌体结构的承载力确定方法如图8所示。砌体结构承载力包含屈服承载力，峰值承载力和极限承载力。

[0095] 对于未设防砌体，根据式(18)计算未设防砌体结构各层的峰值承载力Vp,i。

[0096] Vp,i＝RAi，   (18)

[0097] 其中R为单位建筑面积的结构峰值承载力，可以根据图8进行取值；Ai为结构第i层的面积。计算得到各层的峰值承载力之后，可以根据未设防砌体结构的峰值超强系数Ωp按
照式(19)计算未设防砌体的各层屈服承载力Vy,i。根据统计，Ωp的中位值为1.40。

[0098] Vy,i＝Vp,i/Ωy，   (19)

[0099] 对于设防砌体，首先按照底部剪力法得到设防砌体结构各层的设计承载力Vd,i(GB50011-2010)。之后再通过式(20)和式(21)计算结构各层的屈服承载力Vy,i和峰值承载
力Vp,i。

[0100] Vy,i＝ΩyVd,i，   (20)

[0101] Vp,i＝ΩpVy,i，   (21)

[0102] 其中Ωy，Ωp分别为设防砌体结构的屈服超强系数和峰值超强系数。根据统计，Ωy的中位值为2.33，Ωp的中位值为1.41。

[0103] 在该实施例中，对于砌体结构，极限承载力取为峰值承载力的85％。

[0104] (b)未设防砌体结构和设防砌体结构的位移参数包括骨架线上屈服点、峰值点、软化点以及极限点的位移，可以分别按照图9所示的方法进行确定。

[0105] 与框架结构类似，可以认为砌体结构在屈服点之前保持弹性工作状态。因此未设防砌体结构和设防砌体结构的屈服位移Δuy,i可以根据式(22)进行确定。峰值位移角按照
式(23)取值，其中h为单层层高。根据统计，未设防砌体结构的δp的中位值为0.00268，设防
砌体结构为0.00317。软化点位移角按照式(24)取值，其中h为单层层高。

[0106] Δuy,i＝Vy,i/k0，   (22)

[0107] Δup,i＝δph，   (23)

[0108] Δusoft,i＝δsofth。   (24)

[0109] (3)滞回参数标定。

[0110] 在本发明的一个实施例中，滞回耗能参数τ与框架结构确定方法相同，可以根据式(13)计算。确定高层建筑的参数流程为：

[0111] 高层建筑骨架线采用与框架结构相同的骨架线形式，参数确定流程如图11所示，具体包括：

[0112] 弹性参数包括弯曲刚度EI和剪切刚度GA。这两个参数可以根据结构的一阶周期和二阶周期确定。结构的前两阶周期可以根据模态分析、实际检测或者经验公式确定。再根据
式(25)至(28)即可确定弯曲刚度EI和剪切刚度GA。

[0113]

[0114]

[0115]

[0116]

[0117] 其中，α0为结构弯剪刚度比，ω1为一阶圆频率，γj表示与第j阶结构振动相关的特征值参数。

[0118] (2)屈服参数标定

[0119] 考虑到高阶振型对高层结构响应的贡献，该模型采用振型分解反应谱法来计算地震作用结构各阶振型对应的谱位移Dj。通过式(29)、(30)、(31)和(32)可以求得结构的层间
位移Δui,j和转角Δθi,j。

[0120] ui,j＝Γjφi,jDj，   (29)

[0121] Δui,j＝ui,j/ui 1,j，   (30)

[0122]

[0123] Δθi,j＝θi,j/θi 1,j。   (32)

[0124] 其中：φi,j为第i层第j阶振型的振型向量，Γ为振型参与系数。根据式(33)、(34)就可以得到各阶振型对应的各层设计剪力Vi,j和设计弯矩Mi,j。

[0125] Vi,j＝Δui,jGA/hi，   (33)

[0126] Mi,j＝Δθi,jEI/hi。   (34)

[0127] 再根据SRSS(Square Root of the Sum of the Squares振型组合方法)对各阶地震作用进行组合(式(35)、(36))，便可以得到各层剪切弹簧的设计剪力和弯曲弹簧的设计
弯矩，公式如下：

[0128]

[0129]

[0130] 最后，该耦合模型根据《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》对设计剪力和弯矩进行调整，以满足最小剪力和底部加强区域弯矩的要求。屈服剪力和屈服
弯矩可以通过式(37)、(38)得到。

[0131] Vy,i＝Vd,iΩy，   (37)

[0132] My,i＝Md,iΩy。   (38)

[0133] 根据统计回归，屈服超强系数Ωy与峰值超强系数Ωp与结构的抗震设防烈度DI的关系，如式(39)、(40)所示。

[0134] Ωy＝-0.1565DI+2.7499，   (39)

[0135] Ωp＝(-0.5589DI+7.6346)/(-0.1565DI+2.7499)。   (40)

[0136] 根据式(41)、(42)可以得到屈服层间位移和屈服层间位移角。

[0137]

[0138]

[0139] (3)峰值参数标定。

[0140] 在本发明的一个实施例中，弯曲弹簧和剪切弹簧各层的峰值剪力Vp,i和峰值弯矩Mp,i可以按照式(43)和式(44)确定。

[0141] Vp,i＝ΩpVy,i，   (43

[0142] Mp,i＝ΩpMy,i。   (44)

[0143] 其中p为峰值超强系数，可以按照式(40)确定。

[0144] 由于混凝土结构开裂后刚度会下降，因此结构的峰值位移可以根据折减后的等效弯曲刚度ErI和等效剪切刚度GrA来计算。

[0145] ErI＝ηEI，   (45)

[0146] GrA＝ηGA。   (46)

[0147] 美国ACI 315-08第10.10.4.1条建议了相应的刚度折减系数η。因此，结构的峰值层间位移Δup,i和峰值层间转角Δθp,i可以根据式(47)和式(48)确定。

[0148]

[0149]

[0150] S104：根据每个建筑输入的地震动的加速度时间历程数据通过多质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型进行非线性历程计算，以得到非线性历程计算结果.

[0151] 具体的，每栋建筑输入一个加速度时程数据；采用结构动力学中的运动方程(式(49))，进行结构的非线性历程分析。式中M为模型质量阵，C为阻尼矩阵，本发明中采用
Rayleigh阻尼，F为结构内力，u、u和u为结构各自由度对应的加速度、速度和位移向量，ug为
地震动加速度时程。

[0152] Mu+Cu+F＝-Mug。   (49)

[0153] S105：根据非线性历程计算结果得到每个建筑每个楼层的震害状态及分析结果。

[0154] 其中，判断每个建筑每个楼层的震害状态，获得相应的位移、加速度等重要数据。基于以上步骤，本发明的一个实施例开发了相应的程序，以便更加快速、流畅的执行相关计
算。

[0155] 以唐山市区建筑为例，本发明实施例通过唐山市规划局获得了该地区230,683栋建筑的建筑属性信息，包括结构类型、高度、层数、建造年代、楼层面积等，数据详实。利用这
些数据即可采用本发明所用的分析模型对每一栋建筑进行模拟。建筑年代和建筑类型的组
成情况如图12所示。

[0156] 由于唐山地震发生时，我国强震观测站很少，缺少质量较好的相关地震记录，因此本案例从美国联邦应急管理署P695报告中挑选了4条代表性近场地震(震源距小于10km)记
录，其震级与唐山大地震相近，各地震动时程曲线如图13所示。其中，中国台湾Chichi记录
震级为7.6级，土耳其Kacaeli记录震级为7.5级，美国Denali地震震级为7.9级。

[0157] 由于目标区域范围较广，单一的地震动输入和实际情况相差较大，因此需要考虑地震动的衰减。此次模拟按照椭圆的长短轴方向进行衰减，震中PGA＝1160cm/s2，如图14所
示。根据上述PGA的衰减关系可以得到各个位置建筑的PGA大小，对地震动进行调幅，以此作
为地震动的输入。

[0158] 表1为按建筑设防分类的不同破坏程度的比例统计表，基于以上区域建筑基本信息及地震动信息，采用本发明提出的多质点剪切串联模型和多质点并联剪切弯曲协调模型
对唐山市进行了震害模拟，每按照建筑设防分类的震害结果对比如表1所示(完好和轻微破
坏的比例均为0，所以略去)。值得注意的是，上述案例中230,683栋建筑，进行四条地震动的
总体运算时间只需要约5个小时，如果引入并行技术，这一时间将进一步缩短。

[0159] 表1

[0160]

[0161] 综上，通过以上案例，可以总结出本发明实施例提出的城市建筑群地震反应非线性历程分析方法可获得每个建筑每个楼层的震害状态及位移、加速度等重要数据。并且本
发明实施例的多质点剪切串联模型和并联剪切弯曲协调模型可以准确反应不同高度建筑
震害特征，而且具有极高的计算效率和简单的建模方法，可以用于城市典型地震情景的震
害预测与地震后的近实时震害分析，为震后救援工作及相关决策提供支持。

[0162] 本发明实施例的城市建筑群地震反应非线性历程分析方法，通过建筑数据建立多质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型，并根据地震动的加速度时间历程数据
进行非线性历程计算，根据计算结果分析每个建筑每个楼层的震害状态，达到准确反应不
同高度建筑震害特征，更接近实际震害的效果，且计算效率高且建模方法简单，可以用于城
市典型地震情景带来准确及时的震害预测与震害分析。

[0163] 其次参照附图描述根据本发明实施例提出的城市建筑群地震反应非线性历程分析装置。

[0164] 图15是本发明一个实施例的城市建筑群地震反应非线性历程分析装置。

[0165] 如图15所示，该城市建筑群地震反应非线性历程分析装置10包括：采集模块100，用于采集建筑数据；获取模块200，获取模块与采集模块相连，用于根据建筑数据获取建筑
数据对应的模型；构建模块300，构建模块与获取模块相连，用于根据建筑数据对应的模型
建立建筑数据对应的多质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型；计算模块400，
计算模块与构建模块相连，用于根据每个建筑输入的地震动的加速度时间历程数据通过多
质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型进行非线性历程计算，以得到非线性历
程计算结果；以及分析模块500，分析模块与计算模块相连，用于根据非线性历程计算结果
得到每个建筑每个楼层的震害状态及分析结果。

[0166] 需要说明的是，前述对城市建筑群地震反应非线性历程分析方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。

[0167] 进一步地，在本发明的一个实施例中，构建模块300具体用于根据使用功能、建筑高度以及结构类型对未设防砌体、砌体结构、框架结构以及预设层以下结构建立多质点剪
切串联模型，且对剪力墙结构、框架剪力墙结构与预设层及预设层以上建筑建立多质点并
联剪切弯曲协调模型

[0168] 进一步地，在本发明的一个实施例中，计算模块400具体用于获取每个建筑输入的加速度时程数据，并根据加速度时程数据通过结构动力学中的运动方程进行结构的非线性
历程分析。

[0169] 进一步地，在本发明的一个实施例中，每个建筑每个楼层的震害状态及分析结果包括每个建筑每个楼层的震害状态、每个建筑每个楼层的位移历程结果、每个建筑每个楼
层的速度历程结果、每个建筑每个楼层的加速度历程结果和城市建筑群地震反应与破坏状
态的可视化图片与动画。

[0170] 本发明实施例的城市建筑群地震反应非线性历程分析装置，通过建筑数据建立多质点剪切串联模型或多质点并联剪切弯曲协调模型，并根据地震动的加速度时间历程数据
进行非线性历程计算，根据计算结果分析每个建筑每个楼层的震害状态，达到准确反应不
同高度建筑震害特征，更接近实际震害的效果，且计算效率高且建模方法简单，可以用于城
市典型地震情景带来准确及时的震害预测与震害分析。

[0171] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0172] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0173] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0174] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0175] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。

[0176] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。