自适应单元在地基-结构动力相互作用中的应用研究

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本文通过时域边界元与有限元耦合法进行结构-无限地基动力分析。在求解过程中采用结合了自适应单元的时域边界元法对无限地基进行模拟,并利用有限元法对上部结构、基础及近域地基进行建模,通过两子域公共界面处的力与位移协调关系对地基-结构之间的动力相互作用问题进行耦合研究。本文主要进行了以下几方面的研究:(1)以时域边界元法理论为基础,并根据应力波在弹性介质中的传播特点,将远域半无限边界转化为了能够模拟远域辐射阻尼效应的自适应半无限边界单元,并将该单元与常规时域边界元法结合用于求解弹性半平面动力学问题。由于自适应半无限边界单元实质上是一个能够随时-空间参数自动调节尺寸的有限单元,可参考常规边界单元的处理方法对该单元进行影响系数求解及奇异性处理,最后采用了动力荷载作用下的弹性半平面算例进行验证。结果表明:自适应半无限边界单元能够模拟无限地基的辐射阻尼效应,使用了该单元的时域边界元法能够快捷准确的求解弹性半平面动力问题。(2)对时域边界元与有限元耦合算法进行研究。在采用耦合法分析时,将整个求解域划分为有限域子域与时域边界元子域,并采用Newmark精细积分法进行有限元动力分析,利用两子域公共边界上力和位移的协调关系,对公共边界上节点位移与力进行不断地迭代更新,从而完成两种方法的迭代耦合。(3)在上述工作的基础上,利用有限元法模拟上部结构、基础及近域地基,采用时域边界元法模拟远域无限地基,对地基-结构动力相互作用算例进行了分析。结果表明:1)与常规固定边界的方法相比,基于本文耦合法能够使结构位移响应峰值降低20%~30%左右,而且随着地基柔度的增加,各楼层位移峰值的降幅就越大,也说明了地基土越软,其受到辐射阻尼作用的影响就越大。2)考虑动力相互作用后的结构响应要大于刚性地基假定的结果,而且地基越软,结构的位移响应就越大。因此,在进行结构设计时,考虑地基(特别是软土地基)的影响至关重要。
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