土体-复杂结构耦合系统地震响应数值模拟方法及应用

摘要

地震灾害的频繁发生，给人们带来了极大的生命和财产损失，同时也加剧了结构抗震研究的紧迫性。城市化进程的加快，交通设施的大发展，导致高层建筑、桥梁、隧道等各类工程结构遍地开花，新的工程结构越来越追求大的结构规模，独特的造型特点以及完善的结构功能，这为工程抗震研究带来了极大的挑战。工程结构抗震研究往往存在土体-结构耦合，该问题包含了高度非线性，计算需求量巨大。数值模拟方法日益成为工程结构抗震研究的重要手段，尤其是并行计算技术的应用，为求解超大规模数值计算问题提供了可能。本文立足于工程实际，研究了土体-结构耦合系统的数值模拟方法，主要研究内容包括:
　　研究了土体-复杂结构耦合系统的数值建模方法。采用分段的bucket分类搜索和双向对称接触方式实现土体-结构耦合模型。研究了土体分层建模方法，从而使土体模型与地质勘测情况相近，并且依据地震波的传播特征，对土体单元尺寸进行了控制。研究了粘弹性人工边界在半无限土体中的应用，并且对粘弹性边界和土体计算区域进行了分析和验证。
　　研究了土体-复杂结构耦合系统的高性能计算方法。土体-复杂结构耦合系统计算规模巨大，模型中存在大量的几何非线性、材料非线性和接触非线性问题，采用显式积分算法，具有计算效率高，适合并行计算等优点。结合上海超算中心曙光5000A高性能计算平台，基于递归二分法，提出了土体-结构耦合均衡分区方法，以土体-建筑结构耦合系统、土体-桥梁结构耦合系统和土体-隧道结构耦合系统作为工程应用实例，证实了新的分区方法具有更好的加速比和并行效率。
　　开展了土体-超高层建筑结构耦合系统数值模拟应用。以上海中心大厦结构抗震分析为工程应用对象，根据实际工程图纸，建立了土体-桩筏基础结构-建筑主体结构-建筑幕墙结构的全三维有限元模型。数值模拟选取四条结构响应较大的地震波作为输入激励。重点分析了建筑主体结构和幕墙结构不同地震烈度下的地震响应。为上海中心大厦结构抗震设计及安全评估提供了参考。
　　开展了土体-桥梁结构耦合系统数值模拟应用。以闵浦二桥结构抗震分析为工程应用对象，根据实际工程图纸，建立了土体-桥梁结构的全三维有限元模型。数值模拟选取50年超越概率3％的基岩加速度时程作为输入激励，进行了一致激励下和行波激励下结构地震响应计算。重点分析了主塔的变形和内力，以及主梁的变形和应力。为闵浦二桥抗震设计及安全评估提供了参考。
　　开展了土体-隧道结构耦合系统数值模拟应用。以上海崇明长江双线隧道结构抗震分析为工程应用对象，根据实际工程图纸，建立了土体-隧道结构的全三维有限元模型。数值模拟选取50年超越概率3％和50年超越概率10％的基岩加速度时程作为输入激励，进行了一致激励下和行波激励下结构地震响应计算。重点分析了普通隧道断面变形和应力，以及联络通道的应力和变形缝张开量。为长江隧道抗震设计及安全评估提供了参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景、意义和课题来源

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．1．3 课题来源

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土体-结构动力耦合作用研究现状

1．2．2 土体-结构耦合系统地震响应研究现状

1．2．3 土体-结构耦合系统地震响应并行计算研究现状

1．2．4 对研究现状的总结

1．3 本文的研究内容

第二章 土体-复杂结构耦合系统地震响应数值建模方法

2．1 引言

2．2 土体-结构耦合作用的力学建模方法

2．2．1 土体-结构耦合作用的力学模型

2．2．2 土体-结构耦合作用的数值计算

2．2．3 土体-结构耦合作用的参数控制

2．3 非线性土体建模方法

2．3．1 土体分层模型

2．3．2 土体单元尺寸控制

2．3．3 土体材料模型

2．4 粘弹性人工边界建模方法

2．4．1 三维粘弹性人工边界法向条件

2．4．2 三维粘弹性人工边界切向条件

2．4．3 粘弹性人工边界

2．4．4 粘弹性人工边界验证及土体区域选取

2．5 本章小结

第三章 土体-复杂结构耦合系统地震响应高性能计算方法

3．1 引言

3．2 几何非线性基本理论

3．2．1 变形和运动

3．2．2 更新拉格朗日格式

3．2．3 完全拉格朗日格式

3．2．4 几何非线性问题的数值计算方法

3．3 显式有限元方法基本理论

3．3．1 显式时间积分算法

3．3．2 显式算法时步控制

3．3．3 显式算法沙漏控制

3．4 土体-复杂结构耦合系统地震响应并行计算理论

3．4．1 并行计算机体系结构

3．4．2 曙光5000A高性能计算机

3．4．3 有限元的区域分解方法

3．4．4 土体-结构耦合负载均衡的分区方法

3．5 土体-复杂结构耦合系统地震响应并行计算分析

3．5．1 土体-建筑结构耦合系统并行计算

3．5．2 土体-桥梁结构耦合系统并行计算

3．5．3 土体-隧道结构耦合系统并行计算

3．6 本章小结

第四章 土体-超高层建筑结构耦合系统地震响应分析

4．1 引言

4．2 土体-超高层建筑结构耦合系统全三维非线性数值建模

4．2．1 大厦主体结构三维有限元模型

4．2．2 大厦幕墙结构三维有限元模型

4．2．3 大厦结构-土体耦合体系三维整体有限元模型

4．3 超高层建筑主体结构地震响应

4．3．1 地震荷载

4．3．2 主体结构位移分析

4．3．3 主体结构分层内力分析

4．3．4 主体结构弹塑性分析

4．4 超高层建筑幕墙结构地震响应

4．3．1 幕墙支撑结构变形分析

4．3．2 幕墙支撑结构内力分析

4．5 本章小结

第五章 土体-桥梁结构耦合系统地震响应分析

5．1 引言

5．2 土体-桥梁结构耦合系统全三维非线性数值建模

5．2．1 主梁三维有限元模型

5．2．2 主塔和桥墩三维有限元模型

5．2．3 斜拉索三维有限元模型

5．2．4 桥梁整体三维有限元模型

5．2．5 桥梁结构-土体耦合体系三维有限元模型

5．2．6 材料模型和参数

5．3 土体-桥梁结构耦合系统一致激励地震响应

5．3．1 地震荷载

5．3．2 横向一致激励地震响应

5．3．3 纵向一致激励地震响应

5．4 土体-桥梁结构耦合系统行波激励地震响应

5．4．1 地震荷载

5．4．2 横向行波激励地震响应

5．4．3 纵向行波激励地震响应

5．5 一致激励与行波激励地震响应对比

5．6 本章小结

第六章 土体-隧道结构耦合系统地震响应分析

6．1 引言

6．2 土体-隧道结构耦合系统全三维非线性数值建模

6．2．1 隧道三维有限元模型

6．2．2 联络通道三维有限元模型

6．2．3 工作井三维有限元模型

6．2．4 隧道结构-土体耦合体系三维有限元模型

6．2．6 材料模型和参数

6．3 土体-隧道结构耦合系统一致激励地震响应

6．3．1 地震荷载

6．3．2 横向一致激励地震响应

6．3．3 纵向一致激励地震响应

6．4 土体-隧道结构耦合系统非一致激励地震响应

6．4．1 地震荷载

6．4．2 横向行波激励地震响应

6．4．3 纵向行波激励地震响应

6．5 一致激励与行波激励地震晌应对比

6．6 本章小结

第七章 全文总结与展望

7．1 全文工作总结

7．2 主要创新点

7．3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间完成论文及参与课题