考慮設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地基土動力相互作用仿真計算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種考慮設(shè)備?結(jié)構(gòu)?地基土動力相互作用仿真計算方法，步驟如下：整體系統(tǒng)拆分成上部設(shè)備?結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)與下部地基土子結(jié)構(gòu)；將設(shè)備?結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)與地基土子結(jié)構(gòu)隔離，計算得到設(shè)備?結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)作用在基礎(chǔ)頂面的剪力Vb和彎矩Mb；建立隔離的地基土子結(jié)構(gòu)在設(shè)備?結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)反力作用下的動力運動方程；分別建立上部設(shè)備?結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)和下部地基土子結(jié)構(gòu)的仿真模型；上部設(shè)備?結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)與下部地基土子結(jié)構(gòu)之間進行交互計算，本發(fā)明能夠準確的評估考慮設(shè)備?結(jié)構(gòu)?地基土動力相互作用后對設(shè)備或結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。
【專利說明】
考慮設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地基±動力相互作用仿真計算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明是設(shè)及建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種考慮設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地基±動力相 互作用仿真計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中非結(jié)構(gòu)類構(gòu)件所占比例越來越多，特別設(shè)備的易損性特點，即使 震后結(jié)構(gòu)性能完好但內(nèi)部設(shè)備可能已發(fā)生損壞，影響震后救災(zāi)工作。同時傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計理 論通常不考慮地基±的影響將基礎(chǔ)視作剛性的，而實際上地基柔性的存在削弱了結(jié)構(gòu)體系 的整體剛度，進而改變結(jié)構(gòu)或內(nèi)部設(shè)備的動力反應(yīng)，因此有必要研究考慮設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地基 ±動力相互作用對結(jié)構(gòu)或設(shè)備抗震性能的影響。若按照傳統(tǒng)的計算方法建立設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地 基±相互作用整體分析模型不僅建模難度系數(shù)高，而且整體模型自由度數(shù)量過多嚴重影響 計算的效率，不符合當前工程設(shè)計計算的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的提供一種高效合理的計算方法能夠準確的評估考慮設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地基 ±動力相互作用后對設(shè)備或結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，從而為結(jié)構(gòu)或設(shè)備的抗震設(shè)計工作提供 參考。
[0004] -種考慮設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地基±動力相互作用仿真計算方法，步驟如下：
[0005] (1)首先整體系統(tǒng)拆分成上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)與下部地基±子結(jié)構(gòu)。在 地面波％作用下，上部結(jié)構(gòu)受到的激勵是地面波％與基礎(chǔ)加速度反應(yīng)乾，包括基礎(chǔ)的水平加 速度心和轉(zhuǎn)動加速度兩部分，疊加如下式1所示，郵、Cb、kb分別表示上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作 用子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣，&表示設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)相對結(jié)構(gòu)底部的加速 度反應(yīng)，R表示設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)剛體模態(tài)矩陣，由基點法求得；
[0006] (1:)
[0007]
[000引將設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)與地基±子結(jié)構(gòu)隔離，可W計算得到設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互 作用子結(jié)構(gòu)作用在基礎(chǔ)頂面的剪力化和彎矩Mb如下式2所示，棋表示設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子 結(jié)構(gòu)絕對加速度反應(yīng)，郵康示設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)第i層質(zhì)量，h康示第i層的高度，n 表示總層數(shù)。
[0009] (2)
[0010]
[0011]此時隔離的地基±子結(jié)構(gòu)在設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)反力作用下的動力運動方 程如下式3所示，1113心心心分別表示地基±子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼、剛度和荷載矩陣；
[0012]
[oou] 。，
[0014] (2)分別建立上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)和下部地基±子結(jié)構(gòu)的仿真模型，
[0015] (3)上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)與下部地基±子結(jié)構(gòu)之間進行交互計算，步驟 如下:a)設(shè)在第i步，地基±子結(jié)構(gòu)的受到上部的設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的剪力和 彎矩均已知;b)采用直接積分法計算得到地基±子結(jié)構(gòu)在i+At步的基礎(chǔ)加速度反應(yīng);C)將 對應(yīng)的地面波與基礎(chǔ)加速度反應(yīng)疊加施加給上部的設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu);d)然后上 部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)采用直接積分法計算得到設(shè)備與結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，計算作用在 基礎(chǔ)頂面的剪力與彎矩，并傳遞給地基±子結(jié)構(gòu);完成每一步交互計算直到仿真結(jié)束為止。
[0016] 其中的（2)步驟可W采用模態(tài)綜合法建立地基±子結(jié)構(gòu)自由度縮減仿真模型；
[0017] 本發(fā)明具有W下有益效果:拆分的各子結(jié)構(gòu)可獨立完成建模工作，然后進行交互 計算，能夠充分利用不同計算軟件的優(yōu)勢，降低建模難度。由于地基±子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合法， 能夠滿足計算高效、精確的要求。既符合科學(xué)研究精細化建模要求，也適合在工程實際中推 廣應(yīng)用，特別是將本方法可與現(xiàn)有成熟的商業(yè)程序結(jié)合，能夠有效的應(yīng)用與推廣本方法，也 是節(jié)省資源的有效途徑。
【附圖說明】
[0018] 圖1(a)為設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地基±相互作用整體體系，（b)為拆分后的上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相 互作用子結(jié)構(gòu)與下部的地基±子結(jié)構(gòu)
[0019] 圖2仿真計算步驟圖
[0020] 圖3本發(fā)明計算方法與整體計算中設(shè)備頂點位移時程曲線對比圖
[0021] 圖4本發(fā)明計算方法與整體計算中CPU耗時對比圖
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的計算方法，W商業(yè)通用軟件ANSre和MATALB編程軟件為 例說明該計算方法【具體實施方式】。
[0023] (1)如圖1所示，首先將左圖中的設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地基±相互作用整體體系拆分成成右 圖中上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)與下部的地基±子結(jié)構(gòu)
[0024] (2)首先將整體體系的拆分成上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)與下部的地基±子 結(jié)構(gòu)，地面波作用下，上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)受到的激勵是地面波％與基礎(chǔ)加速度 反應(yīng)成的疊加如4式所示，其中下標b、s分別表示上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)和下部地 基±子結(jié)構(gòu)，其中m、c、k對應(yīng)質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣，超表示設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)相對 結(jié)構(gòu)底部的加速度反應(yīng)，R表示設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)剛體模態(tài)矩陣可由基點法求得。 下部地基±子結(jié)構(gòu)受到上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)頂面產(chǎn)生的剪力Vb和彎矩Mb 作用如5式所示，其中抗表示設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)絕對加速度反應(yīng)，Hlbi表示設(shè)備-結(jié)構(gòu) 相互作用子結(jié)構(gòu)第i層質(zhì)量，hi表示第i層的高度，n表示總層數(shù)。
[0025]
(4)
[0026]
[0027]
(^}
[002引
[0029] 化時郵甚+子結(jié)娩的壇動方賴如fi式所示
[0030] r n 獄
[0031]
[0032] (2)采用商業(yè)通用軟件ANSre建立設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)的仿真模型，采用 MTLAB建立自由度縮減的地基±子結(jié)構(gòu)的仿真模型，自由度縮減方法選擇模態(tài)綜合法中的 固定界面模態(tài)綜合法，保留基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)連接界面自由度，并選取合適的主模態(tài)數(shù)量，從而確 定地基±子結(jié)構(gòu)縮減模型，采用直接積分法計算得到地基±子結(jié)構(gòu)的模態(tài)坐標解，然后經(jīng) 過坐標變換得到物理坐標解。具體分析步驟如圖2所示。
[0033] (3)上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)與下部地基±子結(jié)構(gòu)之間進行交互計算流程： a)假定在第i步，地基±子結(jié)構(gòu)的受到上部的設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的剪力和彎矩 均已知;b)采用直接積分法計算得到地基±子結(jié)構(gòu)在i+At步的基礎(chǔ)加速度反應(yīng);C)將對應(yīng) 的地面波與基礎(chǔ)加速度反應(yīng)疊加施加給上部的設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu);d)然后上部設(shè) 備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)采用直接積分法計算得到設(shè)備與結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，計算作用在基礎(chǔ) 頂面的剪力與彎矩，并傳遞給地基±子結(jié)構(gòu)。
[0034] 由于交互計算設(shè)及到數(shù)據(jù)傳遞，需要分別在MA化AB與ANSYS的工作目錄中新建一 個文本文件，例如MATLAB工作目錄中用于存儲數(shù)據(jù)文本文件共3行一列，采用循環(huán)命令不斷 讀取該文本文件中的數(shù)據(jù)，其中第一行數(shù)據(jù)用于標志所需的計算數(shù)據(jù)是否傳輸完成，如果 第一個數(shù)據(jù)是"0"說明ANSYS尚未計算完成，MTLAB處于等待期間同時不斷讀此文本文件直 到第一行數(shù)據(jù)是"r為止，說明ANSY妃經(jīng)完成計算，繼續(xù)讀取第2、3行的數(shù)據(jù)分別表示作用 在基礎(chǔ)頂面的剪力和彎矩，讀取完成后MATLAB啟動計算。同理ANSYS工作目錄中的文本文件 工作原理與此類似。運樣每一步中兩個仿真模型之間完成數(shù)據(jù)交互傳遞，不斷循環(huán)直到仿 真結(jié)束為止。
[0035] 應(yīng)用實例：
[0036] 根據(jù)上文所述的考慮設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地基±動力相互作用仿真計算方法的基本原理， 利用ANSYS與MTLAB仿真軟件W位于S類場地地區(qū)的6層3跨的鋼框架設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地基±相 互作用體系為例，進行El Centro地震動激勵下地震時程分析。其中結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1所 示，鋼材彈性模量取2.0 X 1〇11化，3跨跨度均為6.80m，層高3.45m。第1-5層每層總的抗震質(zhì) 量1.85 X l〇5kg，第6居當抗震質(zhì)量為1.62 X l〇5kg。此外，結(jié)構(gòu)頂層中屯、處放置的某大型設(shè)備 分為S層，層高0.6m，每層質(zhì)量7.05 X 102kg，抗彎剛度3.48 X 102kN.m2，抗壓剛度8.9 X 103kN。設(shè)備與結(jié)構(gòu)連接方式是剛結(jié)，在ANSYS中采用相同的2D梁單元建立設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作 用子結(jié)構(gòu)有限元模型，質(zhì)量矩陣基于集中質(zhì)量假定，采用材料阻尼，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.04,設(shè) 備阻尼比取0.03。
[0037] 親I結(jié)放材M宏:獄 [00；3 引
[0039] 地基±子結(jié)構(gòu)寬150m、高50m，采用埋置基礎(chǔ)寬22m、高1.0m，基礎(chǔ)與各層±體的材 料參數(shù)如表2所示。地基±子結(jié)構(gòu)在MA化AB中編程計算，采用平面應(yīng)變單元，質(zhì)量矩陣采用 集中質(zhì)量，阻尼矩陣采用材料阻尼假定，阻尼比取0.2。剪力和彎矩作用在基礎(chǔ)頂面處，計算 后提取基礎(chǔ)的平動與轉(zhuǎn)動加速度反應(yīng)與地面波疊加傳遞給上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié) 構(gòu)。
[0040] 表2地基±材料參數(shù)
[0041]
[0042] 計算完成后提取設(shè)備頂點位移反應(yīng)，與設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地基±相互作用整體計算模型 (ANSYS建模計算)結(jié)果對比如圖3所示，該計算方法與完整的整體計算方法相比計算結(jié)果基 本吻合在一起。從圖4所示該仿真計算方法與整體計算所用CPU計算時間對比圖中看出，本 發(fā)明的計算方法在保證計算精度的前提下，計算效率顯著提高。
[0043] W上所述僅為本發(fā)明的列舉較佳實例，凡依本文申請專利范圍所做的變化與修 飾，皆應(yīng)屬本文的涵蓋范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種考慮設(shè)備-結(jié)構(gòu)-地基土動力相互作用仿真計算方法，步驟如下： (1) 首先整體系統(tǒng)拆分成上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)與下部地基土子結(jié)構(gòu)： A. 在地面波4作用下，上部結(jié)構(gòu)受到的激勵是地面波4與基礎(chǔ)加速度反應(yīng)包括基礎(chǔ) 的水平加速度知和轉(zhuǎn)動加速度也〃兩部分，疊加如下式1所示，m b、cb、kb分別表示上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣，％表示設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)相對結(jié)構(gòu) 底部的加速度反應(yīng)，R表示設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)剛體模態(tài)矩陣，由基點法求得；B. 將設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)與地基土子結(jié)構(gòu)隔離，計算得到設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子 結(jié)構(gòu)作用在基礎(chǔ)頂面的剪力vb和彎矩M b，如下式2所示，a表示設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu) 絕對加速度反應(yīng)，mbi表不設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)第i層質(zhì)量，hi表不第i層的高度，η表不 總層數(shù)；Ρ): C. 建立隔離的地基土子結(jié)構(gòu)在設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)反力作用下的動力運動方 程，如下式3所示，!118、(^上、匕分別表示地基土子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼、剛度和荷載矩陣；(3) (2) 分別建立上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)和下部地基土子結(jié)構(gòu)的仿真模型， (3) 上部設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)與下部地基土子結(jié)構(gòu)之間進行交互計算，步驟如 下:a)設(shè)在第i步，地基土子結(jié)構(gòu)的受到上部的設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的剪力和彎 矩均已知;b)采用直接積分法計算得到地基土子結(jié)構(gòu)在i+ △ t步的基礎(chǔ)加速度反應(yīng);c)將對 應(yīng)的地面波與基礎(chǔ)加速度反應(yīng)疊加施加給上部的設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu);d)然后上部 設(shè)備-結(jié)構(gòu)相互作用子結(jié)構(gòu)采用直接積分法計算得到設(shè)備與結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，計算作用在基 礎(chǔ)頂面的剪力與彎矩，并傳遞給地基土子結(jié)構(gòu);完成每一步交互計算直到仿真結(jié)束為止。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿真方法，其特征在于，（2)步驟中，采用模態(tài)綜合法建立地基 土子結(jié)構(gòu)的自由度縮減仿真模型。
【文檔編號】G06F17/50GK105956237SQ201610257939
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月21日
【發(fā)明人】姜南, 張崇祥, 姜忻良, 何濤, 羅蘭芳
【申請人】天津大學(xué)