【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)模擬，更具體的說(shuō)是涉及一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)ibe模擬方法。
技術(shù)介紹
1、地震作為一種破壞性強(qiáng)、預(yù)測(cè)難度大、影響范圍廣的自然災(zāi)害，在全球范圍內(nèi)造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，如何確保建筑結(jié)構(gòu)的地震安全是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。此外，多次震害觀測(cè)結(jié)果顯示，土-結(jié)構(gòu)相互作用會(huì)加重建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷程度。在1985年墨西哥7.8級(jí)地震中，受軟土場(chǎng)地影響，距震中400多公里的墨西哥城約有35％的建筑遭到破壞，300多處建筑完全倒塌。相關(guān)研究表明，考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用后的結(jié)構(gòu)自振頻率改變、基礎(chǔ)間散射波相互影響以及支座間位移差等現(xiàn)象會(huì)造成結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)發(fā)生顯著變化，土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)于結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響不容忽視。
2、現(xiàn)有結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析中，往往基于經(jīng)驗(yàn)公式考慮局部場(chǎng)地條件的影響、基于幅值和相位的變化簡(jiǎn)化考慮地震動(dòng)行波效應(yīng)；結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的數(shù)值模型往往僅包含結(jié)構(gòu)部分，或利用彈簧和阻尼來(lái)簡(jiǎn)化土體作用。盡管部分方法基于有限元法建立了土-基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)整體模型，但這類模型大多將土體視為均勻介質(zhì)，并截取有限范圍的土體來(lái)模擬半無(wú)限空間區(qū)域，需要在土體模型截?cái)嗵幰肴斯み吔鐏?lái)消除地震波在邊界上反射而造成的誤差。上述問(wèn)題使得現(xiàn)有結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法中難以充分考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用影響，結(jié)果存在較大的不確定性。
3、間接邊界元(indirect?boundary?element，ibe)法是解決土-結(jié)構(gòu)相互作用問(wèn)題常用的分析方法，具有嚴(yán)格滿足半無(wú)限空間輻射條件、求解精度高、問(wèn)題
4、因此，提出一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)ibe模擬方法，來(lái)解決現(xiàn)有技術(shù)存在的困難，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本專利技術(shù)提供了一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)ibe模擬方法，有效提高結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的準(zhǔn)確性。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供如下技術(shù)方案：
3、一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)ibe模擬方法，包括以下步驟：
4、建立考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算模型；
5、基于直接剛度法求解土層自由場(chǎng)響應(yīng)；
6、基于均布線荷載格林函數(shù)和邊界連續(xù)條件求解基礎(chǔ)剛度矩陣；
7、根據(jù)土層自由場(chǎng)響應(yīng)和基礎(chǔ)剛度矩陣，求解不考慮基礎(chǔ)和大跨度鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)自由場(chǎng)響應(yīng)；
8、根據(jù)基礎(chǔ)和大跨度鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程求解基礎(chǔ)散射場(chǎng)響應(yīng)；
9、將基礎(chǔ)自由場(chǎng)響應(yīng)與基礎(chǔ)散射場(chǎng)響應(yīng)相加，得出地震作用下基礎(chǔ)響應(yīng)；
10、根據(jù)大跨度鋼結(jié)構(gòu)響應(yīng)與基礎(chǔ)響應(yīng)間的關(guān)系，求解大跨度鋼結(jié)構(gòu)柱頂響應(yīng)，根據(jù)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程，求解大跨度鋼結(jié)構(gòu)跨中響應(yīng)。
11、上述的方法，可選的，建立考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算模型包括：
12、入射sh波：從基巖與土層交界面處入射，與x軸呈θ角入射，圓頻率為ω；
13、土體模型：水平成層的半空間土體模型包括基巖和上覆土層，基巖剪切波速為βr、質(zhì)量密度為ρr、阻尼比為ξr，土層厚度為d、剪切波速為βl、質(zhì)量密度為ρl、阻尼比為ξl；
14、基礎(chǔ)模型：兩個(gè)相同的半圓形剛性基礎(chǔ)半徑為a、單位長(zhǎng)度質(zhì)量為m0，替換掉的土體單位長(zhǎng)度質(zhì)量為ms；
15、大跨度鋼結(jié)構(gòu)模型：包括梁和柱，鋼結(jié)構(gòu)自振頻率為ωb、阻尼比為ξb、剪切波速為βb；梁簡(jiǎn)化為歐拉-伯努利梁，跨度為l、單位長(zhǎng)度質(zhì)量為mb；柱高度為h、單根柱的剛度為kb。
16、上述的方法，可選的，考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算模型的土體與基礎(chǔ)、基礎(chǔ)與大跨度鋼結(jié)構(gòu)柱底均為剛性連接，不產(chǎn)生相對(duì)位移。
17、上述的方法，可選的，基于直接剛度法求解土層自由場(chǎng)響應(yīng)的具體內(nèi)容為：
18、根據(jù)土層自然分層和計(jì)算精度需求將土層劃分為n個(gè)子層，集整自由場(chǎng)總體剛度矩陣[s]；
19、計(jì)算sh波入射時(shí)各子層交界面的荷載矩陣[q]＝{0,0,…,0,qr}t，qr＝[sr]vsh；
20、根據(jù)直接剛度法[q]＝[s][v]求出各子層交界面處的位移[v]＝{v1,v2,…,vn,vn+1}t，則土層中第l層任意點(diǎn)(x,z)的平面外位移和應(yīng)力為：
21、v(x,z)＝[ashexp(iktlz)+bshexp(-iktlz)]exp(-ikx)exp(iωt)?(1)
22、τyz(x,z)＝-iktlgl*[ashexp(iktlz)-bshexp(-iktlz)]exp(-ikx)exp(iωt)?(2)
23、其中，vsh為sh波從基巖入射時(shí)，基巖面的位移幅值；相應(yīng)符號(hào)加*上標(biāo)為考慮材料阻尼后的復(fù)材料常數(shù)；z∈(0,dl)，dl為第l層子層的厚度；ash和bsh由vl，z＝0和vl+1，z＝dl兩個(gè)位移值求出。
24、上述的方法，可選的，基于均布線荷載格林函數(shù)和邊界連續(xù)條件求解基礎(chǔ)剛度矩陣的具體內(nèi)容為：
25、在sh波激勵(lì)作用下，基礎(chǔ)僅產(chǎn)生平面外位移δ＝{δγ1,δγ2}t，根據(jù)場(chǎng)地分層將基礎(chǔ)邊界γ1、γ2分別離散為2n個(gè)單元，當(dāng)轉(zhuǎn)角很小時(shí)，在邊界γ1、γ2上的位移u(x,z)分別為：
26、u(x,z)＝[10]{δγ1,δγ2}t＝[ω(x,z)]δ…(x,z)∈γ1??(3)
27、u(x,z)＝[01]{δγ1,δγ2}t＝[ω(x,z)]δ…(x,z)∈γ2??(4)
28、在基礎(chǔ)邊界γ每個(gè)單元上施加列虛擬荷載qj(j＝1,2,…,4n)，設(shè)虛擬荷載向量p＝{q1,q2,…,q4n}t，則邊界上任意一點(diǎn)的位移和應(yīng)力為：
29、u(x,z)＝[gu(x,z)]p…(x,z)∈γ??(5)
30、t(x,z)＝[gt(x,z)]p…(x,z)∈γ??(6)
31、根據(jù)位移連續(xù)條件可得，基礎(chǔ)邊界任一點(diǎn)(x,z)位移滿足：
32、[gu(x,z)]p＝[ω(x,z)]δ…(x,z)∈γ??(7)
33、對(duì)于線性體系假設(shè)p＝[λ]δ，[λ]表示當(dāng)基礎(chǔ)產(chǎn)生單位位移時(shí)邊界上施加的虛擬荷載向量，則式(7)為：
34、[gu(x,z)][λ]＝[ω(x,z)]…(x,z)∈γ??(8)
35、由此求出矩陣[λ]，將矩陣[λ]代入式(6)得到：
36、t(x,z)＝[gt(x,z)][λ]δ…(x,z)∈γ??(9)
37、根據(jù)力與應(yīng)力的關(guān)系，作用在基礎(chǔ)上的合外力為：
38、f＝∫γ[ω(x,z)]tt(x,本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)IBE模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)IBE模擬方法，其特征在于，建立考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算模型包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)IBE模擬方法，其特征在于，考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算模型的土體與基礎(chǔ)、基礎(chǔ)與大跨度鋼結(jié)構(gòu)柱底均為剛性連接，不產(chǎn)生相對(duì)位移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)IBE模擬方法，其特征在于，基于直接剛度法求解土層自由場(chǎng)響應(yīng)的具體內(nèi)容為：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)IBE模擬方法，其特征在于，基于均布線荷載格林函數(shù)和邊界連續(xù)條件求解基礎(chǔ)剛度矩陣的具體內(nèi)容為：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)IBE模擬方法，其特征在于，根據(jù)土層自由場(chǎng)響應(yīng)和基礎(chǔ)剛度矩陣，求解不考慮基礎(chǔ)和大跨
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)IBE模擬方法，其特征在于，
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)IBE模擬方法，其特征在于，根據(jù)基礎(chǔ)和大跨度鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程求解基礎(chǔ)散射場(chǎng)響應(yīng)的具體內(nèi)容為：
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)IBE模擬方法，其特征在于，將基礎(chǔ)自由場(chǎng)響應(yīng)與基礎(chǔ)散射場(chǎng)響應(yīng)相加，得出地震作用下基礎(chǔ)響應(yīng)的具體內(nèi)容為：
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)IBE模擬方法，其特征在于，
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)ibe模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)ibe模擬方法，其特征在于，建立考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算模型包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)ibe模擬方法，其特征在于，考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算模型的土體與基礎(chǔ)、基礎(chǔ)與大跨度鋼結(jié)構(gòu)柱底均為剛性連接，不產(chǎn)生相對(duì)位移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)ibe模擬方法，其特征在于，基于直接剛度法求解土層自由場(chǎng)響應(yīng)的具體內(nèi)容為：
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：韓慶華，王月，蘆燕，巴振寧，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：天津大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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