实时耦联动力试验的大规模数值模拟研究与应用(精)/清华大学优秀博士学位论文丛书

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第1章绪论实时耦联动力试验的大规模数值模拟研究与应用第1章绪论〖1〗1.1工程背景与研究意义地震灾害是一种发生概率低、预测预报难、危害性极大的特殊自然灾害。地震灾害造成的人类生命财产损失*大部分不是由地震活动本身引起的，而是由于各类人造建筑设施*损引起的，如房屋倒塌，水坝、桥梁、交通系统等生命线工程的破坏。同时，由地震引发的次生灾害如山体滑坡、雪崩、海啸、核泄漏等也对人类的生产生活甚至生命安全构成严重的潜在威胁。 中国的地震活动十分频繁，具有强震多发、震灾严重的特点。20世纪以来，中国大陆6级以上地震共发生过约457次，遍及28个省份，累计死亡人数达59万。由于人口稠密，且建筑抗震设防标准大多偏低，中国的抗震安全形势仍然十分严峻。 由于目前地震预报仍不能达到理想精度，在结构抗震设计过程中，通过提高结构自身的强度来获得较高的抗震能力是应对地震灾害、减小地震损失的*有效的手段。目前，基于数值模拟的结构动力计算\[1\]、基于监测控制的原型观测\[2\]，以及结构动力试验\[3,4\]是进行结构抗震设计与研究的三大途径。结构动力试验通过制作结构模型，将真实地震记录作为输入荷载来对模型进行加载，能够有效地模拟结构在地震作用下的响应；此外，对于某些强烈非线性结构，数值模型通常难以**模拟，此时足尺的结构动力试验是*为有效且可靠的研究方法。 另一方面，在水利和工民建工程建设领域，高耸结构的不断出现在推动国民经济发展、满足生产和生活需求的同时，也给结构在地震、风振作用下的安全性能带来了新的问题。除了改善结构*力特性，减震控制技术\[5\]也已经广泛应用于结构抗震设计中。调谐液柱阻尼器（tuned liquid column damper，TLCD）源自于调谐液体阻尼器（tuned liquid damper，TLD），是一种典型的被动控制技术\[6\]，它具有减震原理简单、施工安装方便、减震效果良好等特点，特别适用于基频较低的高层结构振动控制。TLCD\[7,8\]体型通常为U形管状或者矩形状容器，分为水平段和竖直段两部分，水平段通常设置阀门或者格栅，通过调节其开度来控制阻尼效应。TLCD主要通过容器内液体运动产生的惯性力和水头损失引起的阻尼来耗散能量。TLCD中液体运动存在强烈非线性，目前采用的数值模型的精度仍有待检验，同时*限于常规动力试验中设备及比尺等因素的限制，缩尺TLCD试验也不能**反映TLCD的非线性特性，因此进行足尺的TLCD试验很有必要。 近年来得到迅速发展的实时耦联动力试验（realtime hybrid simulation，RTHS）\[911\]是一种极具潜力的新型结构动力试验方法。RTHS的核心思路是把整体结构分解为数值/物理子结构来进行真实加载速率的混合试验。由于采用数值模型来模拟部分结构，因此诸如土结构相互作用（soilstructure interaction，SSI）的半无限地基可以采用一些成熟的模型进行数值模拟；而对另一部分非线性行为明显的结构部分进行物理试验，如类似TLCD的强非线性部分可以进行大比尺甚至足尺试验。因此，RTHS能够为传统结构动力试验中的一些难题提供一条新的解决途径。 图1.1常规振动台试验1.2实时耦联动力试验技术〖*1〗 “清华大学**博士学位论文丛书”（以下简称“优博丛书”）精选自2014年以来入选的清华大学校级**博士学位论文（Top 5%）。每篇论文经作者进一步修改、充实并增加导师序言后，以专著形式呈现在读者面前。“优博丛书”选题范围涉及自然科学和人文社会科学各主要领域，覆盖清华大学开设的全部一级学科，代表了清华大学各学科***的博士学位论文的水平，反映了相关领域*新的科研进展，具有较强的前沿性、系统性和可读性，是广大博硕士研究生开题及撰写学位论文的**参考，也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、*新进展以及创新思路的有效途径。