基于有限元的实时耦联动力试验方法及其应用

实时耦联动力试验是将物理模型试验（物理子结构）和数值求解计算（数值子结构）实时耦联进行整体结构动力分析的一种新型试验方法。本项目拟将有限元法引入实时耦联动力试验，现实振动台模型试验与有限元数值求解的实时耦联，建立基于有限元和振动台的实时耦联试验方法，可以极大地拓展实时耦联试验的分析能力，对于解决实际工程抗震问题具有重要意义。研究内容：1）研究将有限元法引入实时耦联动力试验的解决方案，以实现结构物理试验与有限元求解的实时耦联；2）研究数值子结构生成控制信号的插值方法，以延长数值子结构的时步，提高数值子结构的有限元计算规模；3）考虑有限元求解的空间和时间离散性，研究基于有限元的实时耦联动力试验系统的稳定性；4）采用有限元法模拟半无限地基作为数值子结构，分别进行高层结构和渡槽结构的振动台实时耦联动力试验，研究结构-地基、结构-流体、多点地震输入、无限地基的辐射阻尼等因素对结构地震响应的影响规律。

实时耦联动力试验方法是目前常用结构抗震试验方法的集成和发展，代表了结构抗震试验的未来发展趋势，是目前结构抗震试验研究的一个热点问题。实时耦联动力试验由于其耦联性和实时性，数值子结构的计算能力和计算效率是制约其发展的关键因素之一。本项目将有限元法引入实时耦联动力试验，现实了振动台模型试验与有限元数值求解的实时耦联，建立基于有限元和振动台的实时耦联试验方法，开展了多组实时耦联动力试验研究。.主要创新研究成果包括：（1）提出了一种新的将有限元嵌入实时耦联动力试验的方法，建立了有限元-振动台实时耦联动力试验系统，并进行了系统稳定性的理论分析研究；（2）对比分析了实时耦联动力试验中一些常用数值积分方法的性能，提出了一种新型的双显式积分系列算法，具备了位移和速度表达式的双显式特性，非常适合于数值子结构的高效求解计算；（3）将有限元数值子结构的求解拆分为RAT和SGT两个任务，分别采用两台目标机进行执行，同时提出了一种基于双显式算法的大时步位移预测方法，误差明显小于其它已有的预测方法；（4）提出了原型尺寸TLD/TLCD的实时耦联动力试验思路，发现TLD/TLCD的减震效果受到质量比、结构阻尼比、激励地震幅值等多种因素的影响，实际应用时需要进行合理优化；（5）基于所建立的有限元-振动台实时耦联试验系统，开展了结构-地基相互作用、结构-流体相互作用、多点地震动输入及行波效应等问题研究，得到了一些规律性的工程认识。.基于振动台的实时耦联动力试验，由于有限元数值子结构的引入，解决了数值子结构的模拟瓶颈问题，可以极大地拓展实时耦联试验的分析能力，发现常规振动台试验难以揭示的一些现象，对于认识复杂结构系统真实的抗震性能具有重要的意义。