基于试验单元的多尺度有限元抗震混合试验方法研究

摘要

为提高大型复杂建筑结构抗震分析的精确性和可靠性，准确实现强震作用下结构的非线性分析，本文将多尺度概念引入到混合试验中提出了“多尺度有限元抗震混合试验方法”。在多尺度有限元抗震混合试验中，分别以试验单元、宏观计算单元和微观计算单元模拟结构整体的不同部分，通过不同尺度模型之间的协同分析与耦合，构建多尺度有限元抗震混合试验模型，进行整体结构抗震非线性分析。针对结构的多尺度有限元抗震混合试验，本文的主要研究内容如下：
　　（1）基于尺度离散和尺度间耦合的思想提出了多尺度有限元抗震混合试验方法，指出了试验平台、有限元软件和试验控制系统的选取与组建方式，研究并阐述了多尺度有限元抗震混合试验系统的构建方法。
　　（2）结构的尺度离散方法直接影响着抗震分析的精确性，文中基于结构的倒塌机理，提出了经验法和仿真法进行多尺度单元的选取，对大型复杂结构应综合考虑这两种方法，进行试验单元和计算单元的选取。
　　（3）实现不同尺度间单元的耦合是多尺度有限元抗震混合试验的关键，本文在研究试验单元和计算单元特性的基础上，基于多点约束方法实现了试验单元和不同尺度计算单元连接界面自由度的协调，同时基于OpenFresco混合试验平台，通过子程序的编写和试验系统的相关设置，详细阐述了有限元软件 ABAQUS和 MTS试验控制系统的连接设置方法。考虑到多尺度有限元混合试验中，试验单元的边界条件复杂，在多尺度界面连接的基础上，通过对试验单元的自由度缩减，实现试验单元加载方式的简化。
　　（4）以一钢框架为抗震研究对象，基于多点约束方法连接试验单元部分和计算单元部分，构建多尺度有限元抗震混合试验模型，进行结构的整体抗震分析。通过多尺度模型和有限元模型抗震分析结果的位移和加速度时程对比，验证了基于多点约束的多尺度界面连接方法能够很好地实现试验单元和计算单元的多尺度界面连接，该方法可用于多尺度有限元混合试验甚至是实时多尺度有限元混合试验中。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 传统抗震试验方法

1.3 混合试验方法的研究现状

1.4 结构多尺度计算方法

1.5 主要研究内容

第二章 多尺度有限元抗震混合试验方法

2.1 引言

2.2 多尺度有限元混合试验方法

2.3 多尺度有限元抗震混合试验实现方法

2.4 本章小结

第三章 多尺度单元选取及试验单元边界模拟

3.1 引言

3.2 多尺度单元选取方法

3.3 试验单元与计算单元的界面连接方法

3.4 试验单元边界自由度缩减方法

3.5 本章小结

第四章 多尺度界面连接方法验证

4.1 引言

4.2 钢框架模型及参数

4.3 加速度时程

4.4 多尺度有限元混合试验模型分析工况

4.5多尺度有限元混合试验模型分析结果和有限元结果对比

4.6 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

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