考虑设备-结构-地基土动力相互作用仿真计算方法
【专利摘要】本发明涉及一种考虑设备?结构?地基土动力相互作用仿真计算方法，步骤如下：整体系统拆分成上部设备?结构相互作用子结构与下部地基土子结构；将设备?结构相互作用子结构与地基土子结构隔离，计算得到设备?结构相互作用子结构作用在基础顶面的剪力Vb和弯矩Mb；建立隔离的地基土子结构在设备?结构相互作用子结构反力作用下的动力运动方程；分别建立上部设备?结构相互作用子结构和下部地基土子结构的仿真模型；上部设备?结构相互作用子结构与下部地基土子结构之间进行交互计算，本发明能够准确的评估考虑设备?结构?地基土动力相互作用后对设备或结构抗震性能的影响。
【专利说明】
考虑设备-结构-地基±动力相互作用仿真计算方法
技术领域
[0001] 本发明是设及建筑结构技术领域，特别是设及一种考虑设备-结构-地基±动力相 互作用仿真计算方法。
【背景技术】
[0002] 现代建筑结构中非结构类构件所占比例越来越多，特别设备的易损性特点，即使 震后结构性能完好但内部设备可能已发生损坏，影响震后救灾工作。同时传统结构设计理 论通常不考虑地基±的影响将基础视作刚性的，而实际上地基柔性的存在削弱了结构体系 的整体刚度，进而改变结构或内部设备的动力反应，因此有必要研究考虑设备-结构-地基 ±动力相互作用对结构或设备抗震性能的影响。若按照传统的计算方法建立设备-结构-地 基±相互作用整体分析模型不仅建模难度系数高，而且整体模型自由度数量过多严重影响 计算的效率，不符合当前工程设计计算的要求。
【发明内容】
[0003] 本发明目的提供一种高效合理的计算方法能够准确的评估考虑设备-结构-地基 ±动力相互作用后对设备或结构抗震性能的影响，从而为结构或设备的抗震设计工作提供 参考。
[0004] -种考虑设备-结构-地基±动力相互作用仿真计算方法，步骤如下：
[0005] (1)首先整体系统拆分成上部设备-结构相互作用子结构与下部地基±子结构。在 地面波％作用下，上部结构受到的激励是地面波％与基础加速度反应乾，包括基础的水平加 速度心和转动加速度两部分，叠加如下式1所示，邮、Cb、kb分别表示上部设备-结构相互作 用子结构的质量、阻尼和刚度矩阵，&表示设备-结构相互作用子结构相对结构底部的加速 度反应，R表示设备-结构相互作用子结构刚体模态矩阵，由基点法求得；
[0006] (1:)
[0007]
[000引将设备-结构相互作用子结构与地基±子结构隔离，可W计算得到设备-结构相互 作用子结构作用在基础顶面的剪力化和弯矩Mb如下式2所示，棋表示设备-结构相互作用子 结构绝对加速度反应，邮康示设备-结构相互作用子结构第i层质量，h康示第i层的高度，n 表示总层数。
[0009] (2)
[0010]
[0011]此时隔离的地基±子结构在设备-结构相互作用子结构反力作用下的动力运动方 程如下式3所示，1113心心心分别表示地基±子结构的质量、阻尼、刚度和荷载矩阵；
[0012]
[oou] 。，
[0014] (2)分别建立上部设备-结构相互作用子结构和下部地基±子结构的仿真模型，
[0015] (3)上部设备-结构相互作用子结构与下部地基±子结构之间进行交互计算，步骤 如下:a)设在第i步，地基±子结构的受到上部的设备-结构相互作用子结构产生的剪力和 弯矩均已知;b)采用直接积分法计算得到地基±子结构在i+At步的基础加速度反应;C)将 对应的地面波与基础加速度反应叠加施加给上部的设备-结构相互作用子结构;d)然后上 部设备-结构相互作用子结构采用直接积分法计算得到设备与结构地震响应，计算作用在 基础顶面的剪力与弯矩，并传递给地基±子结构;完成每一步交互计算直到仿真结束为止。
[0016] 其中的（2)步骤可W采用模态综合法建立地基±子结构自由度缩减仿真模型；
[0017] 本发明具有W下有益效果:拆分的各子结构可独立完成建模工作，然后进行交互 计算，能够充分利用不同计算软件的优势，降低建模难度。由于地基±子结构模态综合法， 能够满足计算高效、精确的要求。既符合科学研究精细化建模要求，也适合在工程实际中推 广应用，特别是将本方法可与现有成熟的商业程序结合，能够有效的应用与推广本方法，也 是节省资源的有效途径。
【附图说明】
[0018] 图1(a)为设备-结构-地基±相互作用整体体系，（b)为拆分后的上部设备-结构相 互作用子结构与下部的地基±子结构
[0019] 图2仿真计算步骤图
[0020] 图3本发明计算方法与整体计算中设备顶点位移时程曲线对比图
[0021] 图4本发明计算方法与整体计算中CPU耗时对比图
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明的计算方法，W商业通用软件ANSre和MATALB编程软件为 例说明该计算方法【具体实施方式】。
[0023] (1)如图1所示，首先将左图中的设备-结构-地基±相互作用整体体系拆分成成右 图中上部设备-结构相互作用子结构与下部的地基±子结构
[0024] (2)首先将整体体系的拆分成上部设备-结构相互作用子结构与下部的地基±子 结构，地面波作用下，上部设备-结构相互作用子结构受到的激励是地面波％与基础加速度 反应成的叠加如4式所示，其中下标b、s分别表示上部设备-结构相互作用子结构和下部地 基±子结构，其中m、c、k对应质量、阻尼、刚度矩阵，超表示设备-结构相互作用子结构相对 结构底部的加速度反应，R表示设备-结构相互作用子结构刚体模态矩阵可由基点法求得。 下部地基±子结构受到上部设备-结构相互作用子结构在基础顶面产生的剪力Vb和弯矩Mb 作用如5式所示，其中抗表示设备-结构相互作用子结构绝对加速度反应，Hlbi表示设备-结构 相互作用子结构第i层质量，hi表示第i层的高度，n表示总层数。
[0025]
(4)
[0026]
[0027]
(^}
[002引
[0029] 化时邮甚+子结娩的坛动方賴如fi式所示
[0030] r n 狱
[0031]
[0032] (2)采用商业通用软件ANSre建立设备-结构相互作用子结构的仿真模型，采用 MTLAB建立自由度缩减的地基±子结构的仿真模型，自由度缩减方法选择模态综合法中的 固定界面模态综合法，保留基础与结构连接界面自由度，并选取合适的主模态数量，从而确 定地基±子结构缩减模型，采用直接积分法计算得到地基±子结构的模态坐标解，然后经 过坐标变换得到物理坐标解。具体分析步骤如图2所示。
[0033] (3)上部设备-结构相互作用子结构与下部地基±子结构之间进行交互计算流程： a)假定在第i步，地基±子结构的受到上部的设备-结构相互作用子结构产生的剪力和弯矩 均已知;b)采用直接积分法计算得到地基±子结构在i+At步的基础加速度反应;C)将对应 的地面波与基础加速度反应叠加施加给上部的设备-结构相互作用子结构;d)然后上部设 备-结构相互作用子结构采用直接积分法计算得到设备与结构地震响应，计算作用在基础 顶面的剪力与弯矩，并传递给地基±子结构。
[0034] 由于交互计算设及到数据传递，需要分别在MA化AB与ANSYS的工作目录中新建一 个文本文件，例如MATLAB工作目录中用于存储数据文本文件共3行一列，采用循环命令不断 读取该文本文件中的数据，其中第一行数据用于标志所需的计算数据是否传输完成，如果 第一个数据是"0"说明ANSYS尚未计算完成，MTLAB处于等待期间同时不断读此文本文件直 到第一行数据是"r为止，说明ANSY妃经完成计算，继续读取第2、3行的数据分别表示作用 在基础顶面的剪力和弯矩，读取完成后MATLAB启动计算。同理ANSYS工作目录中的文本文件 工作原理与此类似。运样每一步中两个仿真模型之间完成数据交互传递，不断循环直到仿 真结束为止。
[0035] 应用实例：
[0036] 根据上文所述的考虑设备-结构-地基±动力相互作用仿真计算方法的基本原理， 利用ANSYS与MTLAB仿真软件W位于S类场地地区的6层3跨的钢框架设备-结构-地基±相 互作用体系为例，进行El Centro地震动激励下地震时程分析。其中结构材料参数见表1所 示，钢材弹性模量取2.0 X 1〇11化，3跨跨度均为6.80m，层高3.45m。第1-5层每层总的抗震质 量1.85 X l〇5kg，第6居當抗震质量为1.62 X l〇5kg。此外，结构顶层中屯、处放置的某大型设备 分为S层，层高0.6m，每层质量7.05 X 102kg，抗弯刚度3.48 X 102kN.m2，抗压刚度8.9 X 103kN。设备与结构连接方式是刚结，在ANSYS中采用相同的2D梁单元建立设备-结构相互作 用子结构有限元模型，质量矩阵基于集中质量假定，采用材料阻尼，结构阻尼比取0.04,设 备阻尼比取0.03。
[0037] 亲I结放材M宏:狱 [00；3 引
[0039] 地基±子结构宽150m、高50m，采用埋置基础宽22m、高1.0m，基础与各层±体的材 料参数如表2所示。地基±子结构在MA化AB中编程计算，采用平面应变单元，质量矩阵采用 集中质量，阻尼矩阵采用材料阻尼假定，阻尼比取0.2。剪力和弯矩作用在基础顶面处，计算 后提取基础的平动与转动加速度反应与地面波叠加传递给上部设备-结构相互作用子结 构。
[0040] 表2地基±材料参数
[0041]
[0042] 计算完成后提取设备顶点位移反应，与设备-结构-地基±相互作用整体计算模型 (ANSYS建模计算)结果对比如图3所示，该计算方法与完整的整体计算方法相比计算结果基 本吻合在一起。从图4所示该仿真计算方法与整体计算所用CPU计算时间对比图中看出，本 发明的计算方法在保证计算精度的前提下，计算效率显著提高。
[0043] W上所述仅为本发明的列举较佳实例，凡依本文申请专利范围所做的变化与修 饰，皆应属本文的涵盖范围。
【主权项】
1. 一种考虑设备-结构-地基土动力相互作用仿真计算方法，步骤如下： (1) 首先整体系统拆分成上部设备-结构相互作用子结构与下部地基土子结构： A. 在地面波4作用下，上部结构受到的激励是地面波4与基础加速度反应包括基础 的水平加速度知和转动加速度也〃两部分，叠加如下式1所示，m b、cb、kb分别表示上部设备-结构相互作用子结构的质量、阻尼和刚度矩阵，％表示设备-结构相互作用子结构相对结构 底部的加速度反应，R表示设备-结构相互作用子结构刚体模态矩阵，由基点法求得；B. 将设备-结构相互作用子结构与地基土子结构隔离，计算得到设备-结构相互作用子 结构作用在基础顶面的剪力vb和弯矩M b，如下式2所示，a表示设备-结构相互作用子结构 绝对加速度反应，mbi表不设备-结构相互作用子结构第i层质量，hi表不第i层的高度，η表不 总层数；Ρ): C. 建立隔离的地基土子结构在设备-结构相互作用子结构反力作用下的动力运动方 程，如下式3所示，!118、(^上、匕分别表示地基土子结构的质量、阻尼、刚度和荷载矩阵；(3) (2) 分别建立上部设备-结构相互作用子结构和下部地基土子结构的仿真模型， (3) 上部设备-结构相互作用子结构与下部地基土子结构之间进行交互计算，步骤如 下:a)设在第i步，地基土子结构的受到上部的设备-结构相互作用子结构产生的剪力和弯 矩均已知;b)采用直接积分法计算得到地基土子结构在i+ △ t步的基础加速度反应;c)将对 应的地面波与基础加速度反应叠加施加给上部的设备-结构相互作用子结构;d)然后上部 设备-结构相互作用子结构采用直接积分法计算得到设备与结构地震响应，计算作用在基 础顶面的剪力与弯矩，并传递给地基土子结构;完成每一步交互计算直到仿真结束为止。2. 根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，（2)步骤中，采用模态综合法建立地基 土子结构的自由度缩减仿真模型。
【文档编号】G06F17/50GK105956237SQ201610257939
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】姜南, 张崇祥, 姜忻良, 何涛, 罗兰芳
【申请人】天津大学