高层建筑非线性动态子结构数值方法和控制研究

Considering the dilemmas between accuracy and efficiency of seismic numerical simulation of high-rise buildings, and the problems of the nonlinear seismic damage control, this project proposes a nonlinear numerical method based on the dynamic substructure and component mode synthesis theory, develops a multi-scale finite-element modeling method and a multi-software assembly and management scheme. The proposed method is able to reduce the simulation workload, as well as guarantee the numerical accuracy by considering nonlinear behavior of the key structural components with refined models. An adaptive decentralized control method is established to control the intensity and order of component damage with a good stability and robustness. Finally, this project will develop the numerical simulation program and seismic damage control system based on OpenSees platform. The merits of this proposal will be providing a systematic simulation approach and control scheme for high-rise buildings.

针对地震作用下高层建筑数值分析中计算精度和计算效率间的矛盾、以及非线性地震损伤控制问题，本项目研究高层建筑非线性动态子结构数值方法，发展多尺度并行建模方法和异构软件的集成管理技术，既精细化考虑关键损伤部位的非线性特性，保证计算精度，又极大地降低计算时间；针对非线性动态子结构，研究高层建筑的非线性自适应分散控制算法，不仅有效控制非线性动态子结构的损伤程度和次序，同时保证控制算法的稳定性和鲁棒性；开发基于OpenSees有限元平台的高层建筑动态子结构数值程序和地震损伤控制软件平台。本研究对于高层建筑的非线性数值分析提供了新的思路，有效解决计算精度和计算效率间的矛盾，对于结构地震损伤控制提供了高效解决方案，形成一套较完整的高层建筑非线性动态子结构的数值方法、控制理论和软件平台，丰富和发展高层建筑的非线性数值分析和控制理论，为高层建筑地震破坏分析与控制提供科学支撑，具有重要的科学意义和实用价值。

我国城市高层建筑面临严峻的地震灾害威胁，高效准确地预测和控制高层建筑的地震反应，对提高我国高层建筑抗震性能具有重大的意义。因此，本项目针对高层建筑地震反应的高效模拟分析和控制瓶颈问题，分别从非线性动态子结构数值方法、高层建筑的地震损伤特征和磁流变阻尼智能控制三个方面开展了系列研究，重点突破自适应动态子结构的模型降阶和磁流变阻尼实时控制方法。本项目的主要结果和关键数据为：（1）提出了高层建筑非线性地震反应的自适应动力弹塑性分析方法，该方法能根据实时变化的构件损伤状态自适应划分线性和非线性子结构，通过子结构拓扑和有效边界质量进行子结构模态截取，显著缩减线性子结构的动力自由度，进一步分析了结构在损伤稳定状态的持时特性及影响规律，提出了基于结构弹塑性发展特征的自适应模态降阶方法；（2）开发完成了高层建筑自适应动力弹塑性分析程序，实现了判断模型损伤状态、重新生成线性子结构和非线性子结构、计算和截取线性子结构的模态、形成和求解缩减自由度的平衡方程，显著提升了数值分析效率，实现了高层建筑地震反应的高效模拟分析，模型降阶后缩减计算耗时30%~70%。（3）通过希尔伯特变换构造激励瞬时特性指标，提出了基于激励信号瞬时指标的阻尼力模型，模型精度可提高50%，考虑电磁动力模型建立磁流变液阻尼器的力电模型，变频变幅激励下阻尼力误差的均方根小于0.1，为磁流变阻尼器实时阻尼力追踪控制奠定了基础。发表论文9篇，其中SCI收录5篇，EI收录2篇。本项目完成的高层建筑非线性动态子结构数值方法、磁流变阻尼器控制方法和软件，为我国高层建筑结构地震破坏分析和控制提供科学有效的方法和技术。