LS-DYNA程序的二次开发及其在隔震结构中的应用
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摘要
结构-地基动力相互作用问题是地震工程领域中一个重要的研究课题，同时，近几十年来，基础隔震技术也逐渐被重视，并且得到了广泛的应用。但是在传统的理论分析中，对于基础隔震结构往往忽视土-结动力相互作用对隔震效果的影响。本文针对这一问题，采用大型通用有限元分析软件LS-DYNA对一叠层橡胶垫隔震框架结构在考虑土-结构相互作用下的动力响应进行了计算和分析，得到了一些有益的结果。具体工作如下：
1．对土-结构动力相互作用的发展历史，计算方法及基础隔震技术在国内外的发展情况进行了简要地概括总结，提出了存在的问题和本文重点研究工作。
2．LS-DYNA软件采用粘性边界(Viscous Boundary)模拟无限域的影响，由于粘性边界是一种精度较低的人工边界，本文在总结粘-弹性人工边界条件的基础上，对LS-DYNA进行了二次开发，通过在LS-DYNA中粘性人工边界上添加弹簧的方法，将粘性边界改进为精度较高的粘-弹性人工边界，从而提高了计算精度，使之可以进行土-结构动力相互作用分析。并通过半空间和全空间的波源、散射问题算例对改进后程序的精度进行了验证。
3．以云南省抗震中心综合楼为例，分别建立固定基础的隔震、非隔震模型和考虑土-结构相互作用的隔震、非隔震模型，采用二次开发后的程序对这栋7层框架基础隔震体系进行了结构动力分析，比较了固定基础的隔震与非隔震结构动力响应以及土-结构动力相互作用对隔震结构和非隔震结构的影响。
最后，对全文的研究工作进行了总结，并讨论了今后进一步需要的研究工作。
The problem of structure-foundation dynamic interaction is an essential research subject in the field of earthquake-engineering. At the same time, in recent years, base isolation technologies attracted more and more concentration and have been wildly used in many fields. However, in the traditional theory analysis, the influence on base isolation property of the soil-structure interaction was seldom considered for the base isolation structure. This paper focus on this problem, calculating and analyzing the response of a structure with laminated rubber beatings considered the soil-structure interaction by LS-DYNA which is one of the large-scale finite element analysis software. Then provide some beneficial results. The details are as follows:
1. The development of soil-structure dynamic interaction and calculating methods, as well as the evolution of base isolation technology in the world are summarized briefly in the paper. Furthermore, some existed limitation and emphases of this research work are presented.
2. LS-DYNA program simulates the effects of infinite field by adopting viscous boundary. Because the viscous boundary is a kind of low precision artificial boundary, the paper improved viscous boundary to viscous-spring boundary with high precision through adding springs to artificial boundary. The feasibility of this method is testified through the example of wave source and dispersion problems on three dimensions in full space and semi-space.
3. This paper takes Anti-seismic Center Synthetical Building in Yunnan Province as an example, and analyzes the 7-storied framed base-isolated structure by inputting seismic waves with improved LS-DYNA. Via establishing essential models to compare the influence of vibration isolator on frame construction with fixed base and the influence of soil-structure dynamic interaction to frame structure with vibration isolator or not.
At last, the paper summarized the whole contents, and put forward the further contents that would to be researched.
1．对土-结构动力相互作用的发展历史，计算方法及基础隔震技术在国内外的发展情况进行了简要地概括总结，提出了存在的问题和本文重点研究工作。
2．LS-DYNA软件采用粘性边界(Viscous Boundary)模拟无限域的影响，由于粘性边界是一种精度较低的人工边界，本文在总结粘-弹性人工边界条件的基础上，对LS-DYNA进行了二次开发，通过在LS-DYNA中粘性人工边界上添加弹簧的方法，将粘性边界改进为精度较高的粘-弹性人工边界，从而提高了计算精度，使之可以进行土-结构动力相互作用分析。并通过半空间和全空间的波源、散射问题算例对改进后程序的精度进行了验证。
3．以云南省抗震中心综合楼为例，分别建立固定基础的隔震、非隔震模型和考虑土-结构相互作用的隔震、非隔震模型，采用二次开发后的程序对这栋7层框架基础隔震体系进行了结构动力分析，比较了固定基础的隔震与非隔震结构动力响应以及土-结构动力相互作用对隔震结构和非隔震结构的影响。
最后，对全文的研究工作进行了总结，并讨论了今后进一步需要的研究工作。
The problem of structure-foundation dynamic interaction is an essential research subject in the field of earthquake-engineering. At the same time, in recent years, base isolation technologies attracted more and more concentration and have been wildly used in many fields. However, in the traditional theory analysis, the influence on base isolation property of the soil-structure interaction was seldom considered for the base isolation structure. This paper focus on this problem, calculating and analyzing the response of a structure with laminated rubber beatings considered the soil-structure interaction by LS-DYNA which is one of the large-scale finite element analysis software. Then provide some beneficial results. The details are as follows:
1. The development of soil-structure dynamic interaction and calculating methods, as well as the evolution of base isolation technology in the world are summarized briefly in the paper. Furthermore, some existed limitation and emphases of this research work are presented.
2. LS-DYNA program simulates the effects of infinite field by adopting viscous boundary. Because the viscous boundary is a kind of low precision artificial boundary, the paper improved viscous boundary to viscous-spring boundary with high precision through adding springs to artificial boundary. The feasibility of this method is testified through the example of wave source and dispersion problems on three dimensions in full space and semi-space.
3. This paper takes Anti-seismic Center Synthetical Building in Yunnan Province as an example, and analyzes the 7-storied framed base-isolated structure by inputting seismic waves with improved LS-DYNA. Via establishing essential models to compare the influence of vibration isolator on frame construction with fixed base and the influence of soil-structure dynamic interaction to frame structure with vibration isolator or not.
At last, the paper summarized the whole contents, and put forward the further contents that would to be researched.
引文
[1] J．P．瓦尔夫著．土-结构动力相互作用[M]．地震出版社，1989年12月
[2] 丁海平(导师：廖振鹏)．线性土-结构动力相互作用分析方法的改进[D]．中国地震局工程力学研究所(博士研究生学位论文)，2000，11
[3] 潘开名，刘斌，刘之洋，王小初．叠层橡胶之作隔震结构地基-结构动力相互作用分析[J]．东北大学学报(自然科学版)，Vol．23，No．1，Jan．2002
[4] 胡聿贤．地震工程学[M]．地震出版社，1988
[5] 关惠敏(导师：廖振鹏)．土-结构动力相互作用分析中的人工边界[D]．中国地震局工程力学研究所(博士研究生学位论文)，1994，7
[6] 黄菊花，何成宏，杨国泰，刘卫东．地基中振动波传播的有限元分析[J]．振动与冲击，1999年18卷1期：38-43
[7] 刘晶波，吕彦东．结构-地基动力相互作用问题分析的一种直接方法[J]．土木工程学报，1998年31(3)：55-64
[8] 李忠献，刘颖，王健．滑移隔震结构考虑土-结构动力相互作用的动力分析[J]．工程抗震，2004年8月第4期
[9] 陈波，吕西林，李培振，陈跃庆．均匀土-桩基-结构相互作用体系的计算分析[J]．地震工程与工程震动，2002，22(3)：91-99
[10] 李培振，吕西林，陈波，陈跃庆．均匀土-箱基-结构相互作用体系的计算分析[J]．地震工程与工程震动，2002，22(5)：115-121
[11] 刘晶波，王振宇，张克峰，裴欲晓．考虑土-结构相互作用大型动力机器基础三维有限元分析[J]．工程力学，2002年19卷3期：34-39
[12] 增德民，苏经宇，樊水荣，马东辉．建筑基础隔震技术的发展和应用情况[J]．工程抗震，1996，9，第3期
[13] 吴章珠．结构隔震的研究与应用综述[J]．华南地震
[14] 丰定国，王清敏，钱国芳．抗震结构设计[M]．地震出版社，1990
[15] 沈聚敏，周锡元，高小旺，刘晶波．抗震工程学[M]．中国建筑工业出版社，2000
[16] 段文峰，孙润香．建筑结构隔震现状的探讨[J]．吉林建筑工程学院学报
[17] Chen, B.J. Characteristic and earthquake-proof benefits of rubber bearings[J], Engineering. Feng-Chia University, 2003 Tai Chung, Taiwan, R.O.C
[18] Keri L. ryan, James M. Kelly, Anil K. Chopra. Nonlinear Model for Lead-Rubber Bearings Including Axial-Load Effects[J],Journal of Engineering Mechanics. Dec 2005, Vol 131, NO 12, 1270-1278
[19] Masato Abe, Junji Yoshida, and Yozo Fujino. Multiaxial Behaviors of laminated Rubber Bearings and Their Modeling Ⅰ: Experimental study[J]. Journal of Structural Engineering, August 2004, vol 130, No 8, 1119-1132
[20] Masato Abe, Junji Yoshida, and Yozo Fujino. Multiaxial Behaviors of laminated Rubber Bearings and Their Modeling Ⅱ: Modeling[J]. Journal of Structural Engineering, 1133-1142
[21] C.S. Tsai, Tsu-cheng Chiang, Bo-Jen Chen and Kuei-Chi chen. Piecewise exact Solution for analysis of base-isolated structures under earthquakes[J]. Structural Engineering and Mechanics. 2005, Vol 19, No 4 381-399
[22] 武田寿一[日]主编，纪晓惠等翻译．建筑物隔震防振与控振[M]．中国建筑工业出版社，1997，119-120
[23] 廖振鹏．工程波动理论导论[M]．科学出版社，2002
[24] 楼梦麟，林皋．粘弹性地基中人工边界的波动反射效应[J]．水利学报，No．6，1986
[25] Z.N. Li, Q.S. Li and M.L. Lou. Numerical studies on the effects of the lateral boundary on soil-structure interaction in homogeneous soil foundations[J]. Structural Engineering and Mechanics. 2005, Vol 20, NO 4, 421-434
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[28] 陈波，吕西林，李培振，陈跃庆．用ANSYS模拟结构-地基动力相互作用振动台试验的建模方法[J]．地震工程与工程震动，2002，22(1)：126-131
[29] Joyer, W.B. and A. T.F. Chen. Calculatiohn of Nonlinear Ground Response in Earthquake[J]. Bull. Seism. Soc. Amer. Vol. 65, No. 5,1315-1336, 1975
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[31] Decks, A. J. and M. F. Randolph. Axisymmetric Time-domain Transmitting Boundaries[J]. Journal of Engineering Mechanics, Vol. 120, No. 1, 25-42, 1994
[32] Z Q Yue, H T Xiao, L G Tham. Boundary element analysis of crack problems in functionally graded materials[J]. Int. J. Solids Strctures, 2003，30：3273-3291
[33] 刘晶波，王振宇，杜修力，杜义欣．波动问题中的三维时域粘弹性人工边界[J]．工程力学，2005，DEC，Vol．22．No．6，46-51
[34] 杜修力，赵密，王进廷．近场波动模拟的人工应力边界条件[J]．力学学报，2006，Jan．Vol．38，No．1，49-56
[35] 李海岭，葛修润．土-结构相互作用对隔震结构影响的模态分析方法[J]．振动与冲击，Vol．19 No．3，2000
[36] Constantinou M.C. and Kneifati M. Dynamics of Soil-Base-Isolated-Structure Systems[J].J. Struc. Engrg. ASCE, 1988,114(1):211-221
[37] Novak M. and Hendreson P. Base-Isolated Building with Soil-Structure Interaction[J]. EESD, 1989,18(6):751-765
[38] 云南省设计院．橡胶隔震支座在建筑工程中的应用[Z]．《橡胶隔震支座开发研究》子课题之三，1998．2
[39] 谢宁．橡胶隔震支座力学性能测试报告[R]．云南工业大学建筑工程学院，1998．2
[40] 周福霖．工程结构减震控制[M]．地震出版社，1997
[41] 陈华明，刘伟庆．橡胶隔震支座在底框结构中的应用实例[J]．工程抗震，2004．4第二期
[42] 建筑抗震设计规范[S]．中国建筑工业出版社，2001，27
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