超高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析加速算法與集成.pdf

1、超高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下一旦倒塌，將造成重大的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的災(zāi)變規(guī)律進(jìn)行深入研究。通過數(shù)值模擬手段，對(duì)超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的彈塑性時(shí)程分析，分析結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的倒塌安全儲(chǔ)備與損傷演化規(guī)律，揭示結(jié)構(gòu)的構(gòu)件失效路徑與倒塌機(jī)理，是研究超高層結(jié)構(gòu)強(qiáng)震災(zāi)變規(guī)律的重要方法。然而，彈塑性時(shí)程分析需要建立結(jié)構(gòu)的非線性有限元模型，超高層結(jié)構(gòu)模型具有超多自由度與超多單元的特點(diǎn)，使用常規(guī)的算法與程序?qū)⒊霈F(xiàn)計(jì)算效率底下的問題，即使

2、計(jì)算機(jī)硬件不斷升級(jí)與并行計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展，計(jì)算效率問題仍然沒得到很好的解決，阻礙了超高層結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)變規(guī)律研究，因此迫切需要研究超高層結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析的加速分析算法及其程序集成。針對(duì)上述問題，本文做了如下工作:
　　(1)搭建了專門針對(duì)超高層結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析的程序平臺(tái)。在分析既有開源平臺(tái)FEAPpv與OpenSees的程序架構(gòu)與可集成性的基礎(chǔ)上，綜合其兩者的架構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，利用C++語(yǔ)言搭建了專門針對(duì)超高層結(jié)構(gòu)的面向?qū)ο蟮某绦蚱脚_(tái)，

3、在平臺(tái)上集成了超高層結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析中的基本材料、單元與算法，實(shí)現(xiàn)了程序的基本彈塑性動(dòng)力分析功能。通過與實(shí)驗(yàn)和其他軟件對(duì)比發(fā)現(xiàn)，程序分析結(jié)果具備足夠的可信度，分析效率與內(nèi)存占用優(yōu)于OpenSees。
　　(2)提出了加速單元狀態(tài)確定的單元狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法(STP)。針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下非線性行為僅在部分構(gòu)件發(fā)生的特點(diǎn)，提出了線性模型與非線性模型相結(jié)合的單元截面狀態(tài)策略，加速了纖維梁柱單元與分層殼單元的狀態(tài)確定，并利用OpenMP

4、并行編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了STP的并行化(PSTP)。通過算例驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，STP/PSTP的加速效果隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大而減弱，其中PSTP的加速比在8.09～14.7范圍。
　　(3)對(duì)比研究了最適于超高層結(jié)構(gòu)體系線性方程組求解的求解器。編譯并在平臺(tái)中集成了一批CPU并行或GPU并行的直接求解器與迭代求解器，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，結(jié)合多線程OpenBLAS的超節(jié)點(diǎn)Cholesky分解的CHOLMOD求解器(PF)效率最高，發(fā)現(xiàn)其特點(diǎn)為計(jì)算耗時(shí)與結(jié)

5、構(gòu)單元數(shù)量成正比，矩陣分解耗時(shí)占用求解耗時(shí)的95％以上。
　　(4)提出了加速非線性平衡方程迭代求解的不精確牛頓-喬列斯基迭代算法(INC)?；诓痪_牛頓算法，結(jié)合結(jié)構(gòu)在彈塑性時(shí)程分析過程中切線剛度非時(shí)刻劇烈變化的特點(diǎn)，反復(fù)利用一次Cholesky分解的結(jié)果進(jìn)行不精確牛頓步的求解，從而大幅度降低彈塑性時(shí)程分析過程中的矩陣分解次數(shù)。算例分析表明INC算法可以使彈塑性時(shí)程分析的矩陣分解次數(shù)降至數(shù)次到數(shù)十次。本文建議INC的強(qiáng)制項(xiàng)中α

6、取值0.05，β取值0.01，迭代收斂容差取0.001～0.1。
　　(5)利用集成了INC、PF、PSTP(IPP)后的分析平臺(tái)，對(duì)四個(gè)規(guī)模不同的超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加速算法的綜合驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)加速算法使用之前，單元狀態(tài)確定耗時(shí)與線性方程組求解耗時(shí)是超高層結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析主要耗時(shí)，且隨著結(jié)構(gòu)的規(guī)模增大，耗時(shí)從單元狀態(tài)確定耗時(shí)主導(dǎo)逐漸變?yōu)榫€性方程組求解耗時(shí)主導(dǎo)。利用IPP加速后，耗時(shí)大幅度降低，使用IPP可獲得28.7～38.9的加速比

7、，且強(qiáng)非線性分析的位移誤差在1％以內(nèi)。
　　(6)對(duì)兩個(gè)600米以上的框架-核心筒超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震動(dòng)力全過程分析。分析了兩個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌安全儲(chǔ)備、損傷演化規(guī)律、失效路徑與倒塌機(jī)理，分析得到的框架-核心筒結(jié)構(gòu)的動(dòng)力全過程規(guī)律為:剪力墻連梁首先失效，導(dǎo)致不同樓層剪力墻貫通從而引發(fā)墻肢失效，隨著地震動(dòng)逐漸增大核心筒失效的構(gòu)件越來越多，外框架承擔(dān)的傾覆彎矩越來越大，最終外框架在傾覆彎矩的作用下失效，引發(fā)結(jié)構(gòu)整體失效。本文嘗試對(duì)兩個(gè)結(jié)構(gòu)采