基于多尺度结构抗震混合试验原理及试验方法研究

摘要

为了研究建筑结构在强震作用下的微观破坏机理以及提高建筑结构地震反应分析的精确性和可靠性，将多尺度有限元分析方法引入抗震混合试验中形成多尺度混合有限元抗震试验方法。在该方法中将复杂结构在地震作用下表现出来的特性划分为线性、非线性以及强非线性部分，形成由宏观有限元模型模拟线性部位，微观有限元模型模拟非线性部位以及试验单元模拟用普通有限元难以模拟的强非线性部位的多尺度混合有限元模型，再对其进行抗震性能分析。本文主要针对多尺度混合有限元抗震试验方法的原理、抗震混合试验平台的构建以及抗震混合试验的实现方法进行阐述。
　　把多尺度的概念引入到结构的抗震混合试验，将结构的基本动力方程演变为多尺度混合动力方程，并从多尺度混合动力方程的解耦和数值积分算法方面对多尺度混合有限元抗震试验方法的原理进行详细阐述。对于混合试验系统的构建，主要是针对现有的Opensees、ABAQUS以及MTS控制加载系统，结合OpenFresco混合试验平台软件分别研究了不同计算引擎的抗震混合试验系统的构建方法。多尺度混合有限元模型中构建了宏观计算单元与微观计算单元连接界面上单元节点的运动协调方程，并利用用户自定义的Connector单元实现试验子结构与计算子结构的有效连接。为了能对试验单元的边界条件进行物理试验模拟，构建了3个作动器的加载方案，即利用3个作动器的协调运动来实现水平自由度、垂直自由度和转动自由度的模拟。并建立了相应的加载规则和力、位移反馈规则。
　　最后为了证明多尺度混合有限元模型在抗震混合试验中具有合理性和优越性，基于3层4跨Benchmark钢框架模型建立多尺度混合有限元模型进行地震时程反应分析。通过多尺度混合有限元模型与相应普通有限元模型之间的地震时程对比分析，得出在建筑结构的抗震混合试验中，特别是大型复杂建筑结构的抗震混合试验中，多尺度混合有限元模型能够保证足够的计算精度，同时还能够提高混合试验的计算效率。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 抗震混合试验方法的国内外发展动态

1.3 结构多尺度有限元的发展与应用

1.4 主要研究内容及研究意义

第二章 多尺度抗震混合试验原理及试验平台的构建

2.1 引言

2.2 抗震混合试验理论基础

2.3 多尺度混合有限元抗震试验方法

2.4 抗震混合试验系统的构建方法

2.5 本章小结

第三章 多尺度混合有限元抗震试验的实现方法

3.1 引言

3.2 结构尺度分离及耦合方法

3.3 试验单元与计算单元之间数据通道的建立

3.4 试验加载控制方法

3.5 本章小结

第四章 多尺度混合有限元模型的抗震试验模拟

4.1 引言

4.2 试验模型及参数

4.3 ABAQUS中不同尺度单元之间的连接方法模拟验证

4.4 多尺度混合有限元模型与普通有限元模型地震时程对比分析

4.5本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士学位期间主要参与的科研项目

在学期间发表论文