大型建筑结构多尺度有限元协同分析的抗震混合试验方法

In order to refine the accuracy and reliability of the seismic response analysis of huge building structures, this project applies the multi-scale finite element analysis method and physical testing method to the seismic response analysis to present a noval method, named as "seismic hybrid simulation with collaborative multi-scale finite element analysis for huge building structures", based on this method, a hybrid model which is consisted of numerical elements and experimental elements is builded, where the macroscopic elements simulate the linear and local weakly nonlinear behavior of the partial structure, the microscopic elements simulate the less nonlinear behavior of the partial structure, and the experimental elements are regarded as special computing elements simulate the local strong nonlinear behavior of the partial structure.Through linking the three types of elements, the collaborative analysis of the huge building sructures are conducted accurately..The mentioned method not only contributes to overcome the shortage of the FEA softwares in structural seismic analysis to solve the strong nonlinear problems, but also avoids the lumped mass hypothesis in the pseudodynamic testing method, thus fully reflects the complexity of huge building structures. The achievement of this project will provide a possible means to study the seismic behavior of huge structures, and also promote the innovation of the modern testing method for earthquake resistant building, besides, the necessary theoretical basis which are obtained from this project will benefit to the development of framework and software in seismic testing method in China.

为提高大型建筑结构抗震分析的准确性和可靠性，在有限元分析方法与子结构拟动力试验方法的基础上，本项目提出"大型建筑结构多尺度有限元协同分析的抗震混合试验方法"，将多尺度分析方法和物理试验方法引入到大型建筑结构抗震有限元分析中，形成由宏观有限计算单元模拟结构线性和局部弱非线性部分，微观有限计算单元模拟结构局部较强非线性部分，物理试验单元（视为一种特殊计算单元）模拟极为复杂或难以精确建模的部分的多尺度混合有限元模型，通过不同尺度模型之间的协同分析与耦合，进行整体结构抗震精细化非线性分析。.该方法有助于弥补大型有限元软件在结构抗震分析中处理强非线性方面存在的劣势，避免了拟动力抗震试验的集中质量假设，在分析中充分体现了大型建筑结构的复杂性。项目研究成果提供了一种研究大型建筑结构抗震性能的试验研究手段，促进现代抗震试验方法创新，为我国结构抗震有限元混合试验平台和相关软件的开发提供必要的理论基础。

本项目针对大型建筑结构抗震混合试验中试验单元的构建方法与加载控制方法进行了深入研究: （1）为了解决多尺度中试验单元与计算子结构的界面连接问题，本项目提出了结合经验法和仿真法的结构尺度分离方法以及试验单元与数值宏观单元的连接的尺度分离及耦合方法，并利用多点约束法实现了试验单元与数值微观单元的连接，耦合法实现了数值宏观单元与数值微观单元的连接。（2）为了解决试验过程中计算模型与试验模型在连接界面处的自由度耦合问题，本项目对试验单元中的自由度进行了缩减，使试验单元的理论自由度转换为试验自由度，在试验过程中能够用有限的加载设备对试验单元的自由度进行模拟，提出了三作动器协调控制加载的解耦控制方法。（3）为使抗震混合试验中电液伺服作动器加载与有限元分析同步进行并提高试验设备的加载精度，对预测-校正加载控制方加以改进并提出了DVA-β预测-矫正加载方法，从而解决了高频率模态或远离区间作动器在执行命令信号时精确性不高的问题。（4）本项目构建了以ABAQUS为计算引擎的抗震混合试验系统，通过3层4跨benchmark钢框架模型试验，验证了该系统具有较强的稳定性和精确性。（5）设计了混凝土框架—核心筒高层建筑（1:10）隔震/非隔震结构模型，进行了地震模拟振动台试验以及隔震模型的抗震混合试验，为抗震混合试验方法与地震模拟振动台试验方法对比提供了参考依据。（6）为了拓展抗震混合试验方法在桥梁结构中的应用，将该方法应用于FRP加固的连续梁桥抗震混合试验中，以探究FRP加固对全桥结构抗震性能的影响。. 本项目的研究成功探索及突破了“建筑抗震混合试验”中关于试验单元构建和加载控制方法的一些关键科学问题，以实现大型复杂结构的整体抗震性能分析，并为我国结构抗震混合试验平台和相关软件的开发提供必要的理论基础。