土-结构相互作用的混合约束模态综合法的应用

摘要

随着城镇化的快速发展，城市人口的不断增多，城市用地紧张的情况越来越严峻，高层建筑以其能节约城市用地、有效利用空间的特点越来越被人们所接受。加之我国处在地震多发地带，2008年汶川地震以来，结构的抗震问题越来越受到工程界的高度关注。因此，在高层建筑的抗震分析和设计过程中十分有必要考虑土-结构的相互作用问题。在现有的计算方法中，动态子结构法能够降低体系自由度、提高计算效率、节省计算时间，被广泛应用到土-结构相互作用的分析中。但是子结构只能用于线性结构，针对此问题，本文在课题组先前提出的线性-非线性混合的约束模态综合法的基础上，将线性-非线性混合的约束模态综合法的基本理论应用于ANSYS大型通用软件。主要的内容和成果有：　　1.在约束模态综合法的理论基础上介绍了线性-非线性混合的约束模态综合法，以高层框架结构为例，将线性-非线性混合的约束模态综合法的理论应用于 ANSYS分析软件中，验证了该理论在 ANSYS分析软件中适用性，为线性-非线性混合的约束模态综合法的应用提供实践依据。　　2.提出了对基于势能判据的截断准则在 ANSYS软件中的实施方法，自编了截断准则程序，运用ANSYS大型通用软件提取每个子结构的刚度、质量、固定界面主模态信息以及边界节点号、内部节点号等，将其导入 Matlab中，运用自编程序进行处理，为子结构分析时选取截断主模态数提供实践依据。　　3.对土体采用粘弹性边界的子结构方法进行了理论推导，以框架结构为例，运用线性-非线性混合的约束模态综合法对采用粘弹性边界的土-结构体系进行地震分析。讨论了粘弹性人工边界的设置对子结构的分析的影响。分析结果表明，由于粘弹性人工边界中土体边界的自由度不能缩减，故其总自由度数并不一定比采用自由边界的自由度数小很多。所以在子结构分析中，土体的边界形式对自由度缩减、计算时间影响不大。　　4.通过运用线性-非线性混合的约束模态综合法对不考虑土体材料非线性的结构做地震分析，讨论了不考虑土体材料线性对结构地震反应的误差。结果表明，不考虑土体材料线性的结构在土-结构相互作用震分析时会夸大结构的位移与内力，因此土-结构相互作用的分析需充分考虑土体材料非线性。　　5.将基础与地基的交界面上设置接触对的做法引入到混合约束模态综合法中，运用线性-非线性混合约束模态综合法对高层框架进行考虑基础与地基摩擦作用下的地震分析，并分析了摩擦对相互作用计算结果带来的影响。结果表明摩擦使上部结构的位移加大，并增加土体的塑性变形。

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第一章 绪论

1.1课题的研究背景

1.2土-结构相互作用的计算方法

1.3动态子结构法的分类及研究现状

1.4课题研究的主要内容

第二章 线性-非线性混合的约束模态综合法的理论

2.1约束模态综合法的基本原理

2.2线性-非线性混合的约束模态综合法

2.3本章小结

第三章 混合约束模态综合法在ANSYS软件中的实施方法

3.1子结构分析方法在ANSYS大型通用软件中的应用

3.2基于势能判据的约束模态综合法的截断准则

3.3混合约束模态综合法在ANSYS软件中的应用实例

3.4本章小结

第四章 采用粘弹性边界的混合约束模态综合法

4.1采用粘弹性边界的约束模态综合法的理论推导

4.2粘弹性人工边界对子结构分析的影响

4.3本章小结

第五章 其他状况条件下地震反应分析比较

5.1结构塑性区域对结构地震分析的影响

5.2接触对结构地震反应的影响

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

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