子结构拟动力试验方法在弹塑性阶段的研究

摘要

子结构拟动力方法在结构抗震试验中得到广泛应用，这种试验方法可以将待求的结构分解成一个或者几个部分，从而实现“化整为零”，将一个较大型的试验分为若干小试验来进行;对比较结构关键的部分进行拟动力试验，而其他部分则进行数值模拟，将这两大部分有机综合在一起得到结构在地震作用下的动态反应。该方法的应用力求在最大程度上达到控制试验成本与提高试验效率之间的平衡。
　　 作为一种联机加载试验，积分方法在拟动力试验中是一个很重要的部分，试验的每一步进行加载的指令是由计算机积分计算求解而得的，所以积分方法的使用情况有时甚至关系到试验的成败。文中在分析比较各种积分方法的基础上，并根据拟动力试验的方法的特点，确定本文主要使用的积分方法为PCM-Newmark方法。
　　 子结构拟动力试验方法作为一种分析地震对结构作用的混合模拟方法，除了试验部分外还有一个很重要的部分是数值模拟部分。本文是针对结构进入弹塑性阶段的研究，所以对于结构数值计算部分的动力性能，借鉴弹塑性时程分析方法的有关知识，对试验以外部分进行数值模拟。本文根据结构材料的性质不同，对结构的恢复力模型进行参数控制，得到结构在不同的阶段的刚度矩阵和恢复力滞回性能。鉴于本文的研究重点为拟动力试验方法，本次研究仅进行了层模型结构的模拟。
　　 对于结构恢复力性质的研究，文中主要采用折线型的结构恢复力模型，此类恢复力模型的一个很重要特点就是，它存在人为的拐点。在进行结构数值计算时若忽略对这些点的处理，则可能降低试验精度。本文介绍了拐点处理的理论方法和处理流程，并探索拐点处理对计算精度的各个指标的影响情况。
　　 在试验子结构进入弹塑性阶段之后，PCM-Newmark积分方法的使用则受到了限制。由于该方法在假设是建立在采用结构初始刚度基础上的，若结构进入弹塑性阶段并且有明显的硬化现象时，采用该方法进行数值积分时，则可能引入较大的计算误差。针对这种情况，本文采用一种基于BFGS拟牛顿优化方法的全算子算法(FOM)，并以此为基础对结构拟动力试验进入非线性阶段的积分计算进行改进，以达到更好的试验精度。最后，以一个10层的框架模型在阪神波(400gal)的地震作用下采用改进的方法与原来的PCM-Newmark方法计算结果进行比较，表明经过FOM方法改进的积分算法是可行且有效的。

目录

摘要

CONTENTS

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究历史和现状

1．2．1 拟动力试验方法研究现状

1．3 结构弹塑性分析的研究现状

1．3．1 结构弹塑性分析模型

1．3．2 单元分析模型

1．4 论文的研究内容和本课题研究意义

1．4．1 论文研究内容

1．4．2 本文的研究意义

第二章 子结构拟动力试验原理及其数值积分方法

2．1 概述

2．2 子结构拟动力试验基本原理及技术

2．3 拟动力试验中的数值积分方法

2．3．1 显式积分方法

2．3．2 隐式积分方法

2．3．3 子结构拟动力试验常用的积分方法

2．4 关于子结构拟动力试验的误差

2．4．1 试验过程中的误差

2．4．2 数值积分的误差

2．5 本章小结

第三章 计算子结构弹塑性阶段的研究

3．1 概述

3．2 结构的弹塑性本构模型

3．2．1 材料屈服准则

3．3 结构恢复力模型

3．3．1 刚度退化二折线模型

3．3．2 平行四边形恢复力模型

3．3．3 刚度退化三折线模型

3．3．4 恢复力模型的特征参数

3．4 结构弹塑性动态分析方法

3．4．1 弹塑性时程分析方法简介

3．4．2 弹塑性时程分析方法基本假设和分析流程

3．4．3 地震波的选择

3．4．4 结构动力平衡方程的建立

3．5 本章小结

第四章 弹塑性阶段计算拐点处理方法

4．1 概述

4．2．恢复力模型的拐点及其处理方法

4．2．1 概念

4．2．2 拐点的分类

4．2．3 拐点处理的方法

4．3 多自由度体系的拐点处理

4．4．算例分析

4．4．1 背景材料

4．4．2 计算结果及分析

4．5 本章小结

第五章 试验子结构积分方法改进及其算例分析

5．1 本章概述

5．2 FOM算法的提出和应用

5．2．1 传统的PCM方法的特点

5．2．2 FOM方法的计算原理

5．2．3 FOM方法在子结构拟动力试验的应用

5．2．4 FOM方法用于混合模拟计算流程图

5．3 切线刚度(K)T的推导

5．4 FOM改进方法及算例分析

5．4．1 FOM方法计算效率

5．4．2 计算模型概况

5．4．3 FOM方法计算与传统PCM方法的对比

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

声明

致谢

附录1