超高层建筑结构动力弹塑性时程分析加速算法与集成

发布时间：2017-12-11 02:14

  本文关键词：超高层建筑结构动力弹塑性时程分析加速算法与集成

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【摘要】：超高层建筑结构在地震作用下一旦倒塌,将造成重大的人员伤亡与财产损失,有必要对结构在强震下的灾变规律进行深入研究。通过数值模拟手段,对超高层结构进行大量的弹塑性时程分析,分析结构在强震作用下的倒塌安全储备与损伤演化规律,揭示结构的构件失效路径与倒塌机理,是研究超高层结构强震灾变规律的重要方法。然而,弹塑性时程分析需要建立结构的非线性有限元模型,超高层结构模型具有超多自由度与超多单元的特点,使用常规的算法与程序将出现计算效率底下的问题,即使计算机硬件不断升级与并行计算技术不断发展,计算效率问题仍然没得到很好的解决,阻碍了超高层结构的地震灾变规律研究,因此迫切需要研究超高层结构弹塑性时程分析的加速分析算法及其程序集成。针对上述问题,本文做了如下工作：(1)搭建了专门针对超高层结构弹塑性时程分析的程序平台。在分析既有开源平台FEAPpv与OpenSees的程序架构与可集成性的基础上,综合其两者的架构优点,利用C++语言搭建了专门针对超高层结构的面向对象的程序平台,在平台上集成了超高层结构弹塑性时程分析中的基本材料、单元与算法,实现了程序的基本弹塑性动力分析功能。通过与实验和其他软件对比发现,程序分析结果具备足够的可信度,分析效率与内存占用优于OpenSees。(2)提出了加速单元状态确定的单元状态转换算法(STP)。针对建筑结构在地震作用下非线性行为仅在部分构件发生的特点,提出了线性模型与非线性模型相结合的单元截面状态策略,加速了纤维梁柱单元与分层壳单元的状态确定,并利用OpenMP并行编程语言实现了STP的并行化(PSTP)。通过算例验证发现,STP/PSTP的加速效果随着地震动强度的增大而减弱,其中PSTP的加速比在8.09-14.7范围。(3)对比研究了最适于超高层结构体系线性方程组求解的求解器。编译并在平台中集成了一批CPU并行或GPU并行的直接求解器与迭代求解器,通过对比发现,结合多线程OpenBLAS的超节点Cholesky分解的CHOLMOD求解器(PF)效率最高,发现其特点为计算耗时与结构单元数量成正比,矩阵分解耗时占用求解耗时的95%以上。(4)提出了加速非线性平衡方程迭代求解的不精确牛顿-乔列斯基迭代算法(INC)。基于不精确牛顿算法,结合结构在弹塑性时程分析过程中切线刚度非时刻剧烈变化的特点,反复利用一次Cholesky分解的结果进行不精确牛顿步的求解,从而大幅度降低弹塑性时程分析过程中的矩阵分解次数。算例分析表明INC算法可以使弹塑性时程分析的矩阵分解次数降至数次到数十次。本文建议INC的强制项中a取值0.05,β取值0.01,迭代收敛容差取0.001～0.1。(5)利用集成了INC、PF、PSTP (IPP)后的分析平台,对四个规模不同的超高层结构进行了加速算法的综合验证。发现加速算法使用之前,单元状态确定耗时与线性方程组求解耗时是超高层结构弹塑性时程分析主要耗时,且随着结构的规模增大,耗时从单元状态确定耗时主导逐渐变为线性方程组求解耗时主导。利用IPP加速后,耗时大幅度降低,使用IPP可获得28.7～38.9的加速比,且强非线性分析的位移误差在1%以内。(6)对两个600米以上的框架-核心筒超高层结构进行了地震动力全过程分析。分析了两个结构的倒塌安全储备、损伤演化规律、失效路径与倒塌机理,分析得到的框架-核心筒结构的动力全过程规律为：剪力墙连梁首先失效,导致不同楼层剪力墙贯通从而引发墙肢失效,随着地震动逐渐增大核心筒失效的构件越来越多,外框架承担的倾覆弯矩越来越大,最终外框架在倾覆弯矩的作用下失效,引发结构整体失效。本文尝试对两个结构采用加强连梁或加强外框架巨柱的结构优化方案,发现加强连梁更经济且能获得更好的优化结果。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU973.31

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本文编号：1276771