局部非線性土與結(jié)構(gòu)相互作用的混合約束模態(tài)綜合法研究.pdf

1、近來年，對土—結(jié)構(gòu)相互作用問題的研究廣度和深度逐漸擴大，各類復(fù)雜模型越來越龐大且精細化，導(dǎo)致在有限元分析中單元節(jié)點的自由度數(shù)可謂以十萬百萬計，需高配置的計算設(shè)備和長時間的計算時間才可完成分析，當需多個不同工況的比較時則更成倍地增加工作量，亟待一種可行的既滿足計算精度又節(jié)省計算成本的分析計算方法。動力子結(jié)構(gòu)法是將土—結(jié)構(gòu)相互作用體系分成若干子系統(tǒng)，先分別求出各子系統(tǒng)的單體反應(yīng)，然后再聯(lián)系各單體的反應(yīng)，使其滿足相互作用的條件，從而得到整個體

2、系的反應(yīng)，大大減少計算量，是一種理想的計算方法，但該方法僅能解決線性問題。
　　本文根據(jù)課題組新近提出的能解決局部非線性問題的線性—非線性混合約束模態(tài)綜合法的思想，在該方法的具體實施方面進行了研究，充分利用現(xiàn)有商業(yè)軟件的優(yōu)勢，將該方法的實施與ANSYS軟件相結(jié)合，對實施過程中諸如結(jié)構(gòu)受力全過程中剛度矩陣的提取方法；彈塑性模型中等效彈性模量的計算；一致粘彈性邊界問題；以及非線性的接觸問題等進行了深入的分析與研究，使混合約束模態(tài)綜合法

3、能解決復(fù)雜狀況下的土—結(jié)構(gòu)相互作用體系，開辟了動力子結(jié)構(gòu)法的研究領(lǐng)域。
　　本文主要的創(chuàng)新工作與成果有：
　　1.混合約束模態(tài)綜合法在ANSYS的實施，首先要解決剛度矩陣提取中的對號入座問題，為此在深入分析ANSYS二次開發(fā)四種方法的基礎(chǔ)上，決定采取FORTRAN語言的二次開發(fā)工具UPFs進行矩陣提取的開發(fā)工作，自編程序?qū)崿F(xiàn)了按照節(jié)點編號由小到大的順序進行矩陣的提取。
　　2.非線性子結(jié)構(gòu)在塑性階段中的剛度矩陣的提取工

4、作是本文的重點難點之一。為了在非線性時程分析中生成某一時刻的彈塑性剛度矩陣，提出了將非線性塑性區(qū)域“等效”為線彈性區(qū)域，即在塑性階段上的小段Δt時間內(nèi)利用分段等效線性化手段，對結(jié)構(gòu)各個進入塑性階段的單元進行等效處理，并推導(dǎo)了等效彈性模量的公式，完成了對塑性單元的彈性模量和剪切模量等效工作；利用了ANSYS多點重啟動的方法，恢復(fù)結(jié)構(gòu)上一時刻的計算結(jié)果后能繼續(xù)進行下一時刻分析；提出了ANSYS與MATLAB程序間的相互調(diào)用和控制的操作方法，

5、從而解決了非線性子結(jié)構(gòu)在塑性階段中的剛度矩陣的有序進行。通過算例模型進行一般性分析，包括Pushover靜力非線性分析和簡諧波動力時程非線性分析求得響應(yīng)時程曲線，與ANSYS直接計算法所得到的響應(yīng)時程曲線比對吻合良好，驗證了在彈塑性階段二次開發(fā)的程序文件所提取的矩陣的正確可行。
　　3.建立了考慮局部非線性的地基土—剪力墻結(jié)構(gòu)相互作用的模型，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)存在局部塑性區(qū)域的特點，將整體體系中未進入非線性階段的區(qū)域劃分為若干個線性子結(jié)

6、構(gòu)，而將進入塑性階段的局部區(qū)域獨立劃分為若干個非線性子結(jié)構(gòu)。提出了混合約束模態(tài)綜合法的詳細分析流程并編寫了開發(fā)程序，著重說明了在ANSYS和MATLAB二者程序之間的實現(xiàn)過程。
　　4.在土—結(jié)構(gòu)相互作用分析模型中，在地基土邊界引入一致粘彈性邊界條件來模擬半無限域的土體，推導(dǎo)了帶有一致粘彈性邊界的子結(jié)構(gòu)方程，論證了勢能判據(jù)截斷準則同樣適用于帶有一致粘彈性邊界的線性子結(jié)構(gòu)，證明了采用混合約束模態(tài)綜合法同樣能處理復(fù)雜的邊界問題。

7、>　　5.通過選擇合理的目標面單元和接觸面單元、迭代計算接觸剛度和設(shè)置摩擦系數(shù)，將高度非線性的接觸問題引入混合約束模態(tài)綜合法中。提出了箱型基礎(chǔ)與周圍土體接觸關(guān)系的處理方法，將接觸單元一分為二，目標面單元劃入剛度相對較高的箱型基礎(chǔ)的線性子結(jié)構(gòu)內(nèi)，接觸面單元劃入剛度相對較低的周圍土體的非線性子結(jié)構(gòu)內(nèi)，推導(dǎo)出了箱型基礎(chǔ)與周圍土體具有接觸關(guān)系的線性與非線性模態(tài)綜合方程，拓寬了混合約束模態(tài)綜合法的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　6.通過算例計算對線性和非線

8、性土體區(qū)域給出了推薦范圍，當設(shè)置一致粘彈性邊界時，非線性子結(jié)構(gòu)的區(qū)域為2倍的基礎(chǔ)寬度，兩側(cè)線性子結(jié)構(gòu)區(qū)域各為1.5倍的基礎(chǔ)寬度，使得模型總體自由度數(shù)比使用一般自由邊界子結(jié)構(gòu)土體單元自由度數(shù)減少很多，從而提高了計算效率。
　　7.進行了混合約束模態(tài)綜合法擴展到三維土—結(jié)構(gòu)相互作用分析，重點研究了與二維問題的不同之處，重新推導(dǎo)了適合于三維問題的一致粘彈性邊界條件的子結(jié)構(gòu)方程；重新推導(dǎo)了箱型基礎(chǔ)與周圍土體具有接觸關(guān)系的線性與非線性模態(tài)綜