基于子结构模态的动力自由度缩减综合法
发布时间：2021-09-30 20:57
为了研究大型复杂结构动力自由度缩减问题,提出基于子结构模态的动力自由度缩减综合法。首先根据混合试验原理将整体结构动静自由度进行分离,分别形成了静力子结构与动力子结构。静力子结构根据原型结构进行静力分析,以保留静力自由度的复杂性。动力子结构则结合模态综合法,将整体结构拆分为若干子结构,对子结构进行模态分析,保留少数低阶模态,缩减子结构的质量形成凝聚点,并将模态信息传递到凝聚点。根据边界协调条件合成动力简化模型,将静力子结构与动力简化模型融合为抗震混合试验模型,并对某10层框架结构进行模态分析。研究表明:本文提出的动力自由度缩减综合法,能够很好地表现原型结构的动力特性,在缩减动力自由度的同时保留了结构的复杂性,避免过度简化。
【文章来源】：工程抗震与加固改造. 2020,42(05)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
结构动静自由度分离协调示意图
由图2可知，首先，将组合后的子结构模态信息同原型结构模态分析结果进行对比，证明应用该方法建立的子结构模态分析模型的有效性。如图2所示，若不吻合，则根据固定界面模态综合法对动力子结构模型及各子结构的边界条件进行修改，确保有限元模型准确无误，能很好重现原型结构动力特性。其次，将子结构模态分析所得的简化后质量矩阵MN、刚度矩阵KN与静力分析解得的初始质量矩阵M、刚度矩阵K进行对比，证明应用该方法获得的动力简化模型的质量、刚度分布与原型结构保持一致。最后，根据MATLAB的eig矩阵运算函数编译结构模态分析协调程序，将各凝聚点的模态信息输入到该程序中形成动力简化模型的运动方程，求解获得简化模型的模态信息。通过将原型结构的模态信息同动力简化模型的模态信息进行对比，以判断动力简化模型是否有效。若吻合程度较好，则表明动力简化模型具有较好的准确性;若不吻合，则根据原型结构的初始刚度、质量矩阵等对动力简化模型进行修改，以确保动力简化模型能较好的体现原型结构的动力特性。此外，根据混合试验原理，由静力模型提供恢复力信息，动力模型求解运动方程，并对动力模型和静力模型进行力-位移交互，从而形成动力简化的抗震混合试验系统，并以此进行大型结构的抗震性能分析。
为了验证本文所述动力自由度缩减法的有效性及精确性，采用图3所示的典型高层框架结构分析结构的动力特性。该结构X方向长18 m,Y方向宽18 m，结构整体高40 m。框架结构共10层，在X、Y方向均为3跨，跨长均为6 m。柱截面尺寸均为400mm×400mm，梁截面尺寸均为300mm×600mm，板厚为100 mm。本框架结构采用Q235型号的钢材，质量密度为7.85g/cm3，弹性模量为190GPa，泊松比为0.3，屈服应力为235MPa。采用ABAQUS软件进行有限元分析，建立精确的整体结构模型并划分出大量的计算单元，从而体现结构的复杂程度。为了在静力分析时获得各楼层的恢复力信息，在原型结构外部建立参考点，并保持与对应框架节点的耦合连接。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多跨连续梁桥多子结构协同混合试验方法研究[J]. 杨剑峰,田石柱. 振动与冲击. 2019(15)
[2]某超高层办公塔楼抗震分析与设计[J]. 张旭东,潘浩浩,王佳妮. 工程抗震与加固改造. 2018(05)
[3]基于单柱子结构模型的型钢混凝土异形柱框架抗震性能混合试验研究[J]. 蔡新江,贾红星,巩牧华,田石柱. 建筑结构学报. 2017(04)
[4]基于界面单元的子结构协调技术[J]. 江浩然,王涛,周惠蒙,罗清宇. 工程力学. 2017(01)
[5]基于节点力插值的自由子结构界面自由度缩减方法[J]. 楼梦麟,唐玉. 同济大学学报(自然科学版). 2015(05)
[6]复杂结构动力模型降阶方法研究[J]. 王文胜. 力学与实践. 2015(02)
[7]采用多种有限元子结构的混合试验系统[J]. 杜雨峰,王涛. 防灾减灾工程学报. 2014(03)
[8]基于局部插值的结构动力模型降阶方法[J]. 邓佳东,程耿东. 力学学报. 2012(02)
[9]含超单元连接子结构的自由界面模态综合法[J]. 卢凯良,邱惠清,毛飞. 同济大学学报(自然科学版). 2010(08)
[10]框架—剪力墙结构的静力弹塑性分析研究[J]. 缪志伟,叶列平,陆新征. 工程抗震与加固改造. 2008(06)
博士论文
[1]面向大型复杂结构的结构抗震混合试验方法研究[D]. 贾红星.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3416626
【文章来源】：工程抗震与加固改造. 2020,42(05)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
结构动静自由度分离协调示意图
由图2可知，首先，将组合后的子结构模态信息同原型结构模态分析结果进行对比，证明应用该方法建立的子结构模态分析模型的有效性。如图2所示，若不吻合，则根据固定界面模态综合法对动力子结构模型及各子结构的边界条件进行修改，确保有限元模型准确无误，能很好重现原型结构动力特性。其次，将子结构模态分析所得的简化后质量矩阵MN、刚度矩阵KN与静力分析解得的初始质量矩阵M、刚度矩阵K进行对比，证明应用该方法获得的动力简化模型的质量、刚度分布与原型结构保持一致。最后，根据MATLAB的eig矩阵运算函数编译结构模态分析协调程序，将各凝聚点的模态信息输入到该程序中形成动力简化模型的运动方程，求解获得简化模型的模态信息。通过将原型结构的模态信息同动力简化模型的模态信息进行对比，以判断动力简化模型是否有效。若吻合程度较好，则表明动力简化模型具有较好的准确性;若不吻合，则根据原型结构的初始刚度、质量矩阵等对动力简化模型进行修改，以确保动力简化模型能较好的体现原型结构的动力特性。此外，根据混合试验原理，由静力模型提供恢复力信息，动力模型求解运动方程，并对动力模型和静力模型进行力-位移交互，从而形成动力简化的抗震混合试验系统，并以此进行大型结构的抗震性能分析。
为了验证本文所述动力自由度缩减法的有效性及精确性，采用图3所示的典型高层框架结构分析结构的动力特性。该结构X方向长18 m,Y方向宽18 m，结构整体高40 m。框架结构共10层，在X、Y方向均为3跨，跨长均为6 m。柱截面尺寸均为400mm×400mm，梁截面尺寸均为300mm×600mm，板厚为100 mm。本框架结构采用Q235型号的钢材，质量密度为7.85g/cm3，弹性模量为190GPa，泊松比为0.3，屈服应力为235MPa。采用ABAQUS软件进行有限元分析，建立精确的整体结构模型并划分出大量的计算单元，从而体现结构的复杂程度。为了在静力分析时获得各楼层的恢复力信息，在原型结构外部建立参考点，并保持与对应框架节点的耦合连接。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多跨连续梁桥多子结构协同混合试验方法研究[J]. 杨剑峰,田石柱. 振动与冲击. 2019(15)
[2]某超高层办公塔楼抗震分析与设计[J]. 张旭东,潘浩浩,王佳妮. 工程抗震与加固改造. 2018(05)
[3]基于单柱子结构模型的型钢混凝土异形柱框架抗震性能混合试验研究[J]. 蔡新江,贾红星,巩牧华,田石柱. 建筑结构学报. 2017(04)
[4]基于界面单元的子结构协调技术[J]. 江浩然,王涛,周惠蒙,罗清宇. 工程力学. 2017(01)
[5]基于节点力插值的自由子结构界面自由度缩减方法[J]. 楼梦麟,唐玉. 同济大学学报(自然科学版). 2015(05)
[6]复杂结构动力模型降阶方法研究[J]. 王文胜. 力学与实践. 2015(02)
[7]采用多种有限元子结构的混合试验系统[J]. 杜雨峰,王涛. 防灾减灾工程学报. 2014(03)
[8]基于局部插值的结构动力模型降阶方法[J]. 邓佳东,程耿东. 力学学报. 2012(02)
[9]含超单元连接子结构的自由界面模态综合法[J]. 卢凯良,邱惠清,毛飞. 同济大学学报(自然科学版). 2010(08)
[10]框架—剪力墙结构的静力弹塑性分析研究[J]. 缪志伟,叶列平,陆新征. 工程抗震与加固改造. 2008(06)
博士论文
[1]面向大型复杂结构的结构抗震混合试验方法研究[D]. 贾红星.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3416626
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