超高層建筑結構動力彈塑性時程分析加速算法與集成.pdf

1、超高層建筑結構在地震作用下一旦倒塌，將造成重大的人員傷亡與財產損失，有必要對結構在強震下的災變規(guī)律進行深入研究。通過數值模擬手段，對超高層結構進行大量的彈塑性時程分析，分析結構在強震作用下的倒塌安全儲備與損傷演化規(guī)律，揭示結構的構件失效路徑與倒塌機理，是研究超高層結構強震災變規(guī)律的重要方法。然而，彈塑性時程分析需要建立結構的非線性有限元模型，超高層結構模型具有超多自由度與超多單元的特點，使用常規(guī)的算法與程序將出現計算效率底下的問題，即使

2、計算機硬件不斷升級與并行計算技術不斷發(fā)展，計算效率問題仍然沒得到很好的解決，阻礙了超高層結構的地震災變規(guī)律研究，因此迫切需要研究超高層結構彈塑性時程分析的加速分析算法及其程序集成。針對上述問題，本文做了如下工作:
　　(1)搭建了專門針對超高層結構彈塑性時程分析的程序平臺。在分析既有開源平臺FEAPpv與OpenSees的程序架構與可集成性的基礎上，綜合其兩者的架構優(yōu)點，利用C++語言搭建了專門針對超高層結構的面向對象的程序平臺，

3、在平臺上集成了超高層結構彈塑性時程分析中的基本材料、單元與算法，實現了程序的基本彈塑性動力分析功能。通過與實驗和其他軟件對比發(fā)現，程序分析結果具備足夠的可信度，分析效率與內存占用優(yōu)于OpenSees。
　　(2)提出了加速單元狀態(tài)確定的單元狀態(tài)轉換算法(STP)。針對建筑結構在地震作用下非線性行為僅在部分構件發(fā)生的特點，提出了線性模型與非線性模型相結合的單元截面狀態(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、并行編程語言實現了STP的并行化(PSTP)。通過算例驗證發(fā)現，STP/PSTP的加速效果隨著地震動強度的增大而減弱，其中PSTP的加速比在8.09～14.7范圍。
　　(3)對比研究了最適于超高層結構體系線性方程組求解的求解器。編譯并在平臺中集成了一批CPU并行或GPU并行的直接求解器與迭代求解器，通過對比發(fā)現，結合多線程OpenBLAS的超節(jié)點Cholesky分解的CHOLMOD求解器(PF)效率最高，發(fā)現其特點為計算耗時與結

5、構單元數量成正比，矩陣分解耗時占用求解耗時的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，結合結構在彈塑性時程分析過程中切線剛度非時刻劇烈變化的特點，反復利用一次Cholesky分解的結果進行不精確牛頓步的求解，從而大幅度降低彈塑性時程分析過程中的矩陣分解次數。算例分析表明INC算法可以使彈塑性時程分析的矩陣分解次數降至數次到數十次。本文建議INC的強制項中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，對四個規(guī)模不同的超高層結構進行了加速算法的綜合驗證。發(fā)現加速算法使用之前，單元狀態(tài)確定耗時與線性方程組求解耗時是超高層結構彈塑性時程分析主要耗時，且隨著結構的規(guī)模增大，耗時從單元狀態(tài)確定耗時主導逐漸變?yōu)榫€性方程組求解耗時主導。利用IPP加速后，耗時大幅度降低，使用IPP可獲得28.7～38.9的加速比

7、，且強非線性分析的位移誤差在1％以內。
　　(6)對兩個600米以上的框架-核心筒超高層結構進行了地震動力全過程分析。分析了兩個結構的倒塌安全儲備、損傷演化規(guī)律、失效路徑與倒塌機理，分析得到的框架-核心筒結構的動力全過程規(guī)律為:剪力墻連梁首先失效，導致不同樓層剪力墻貫通從而引發(fā)墻肢失效，隨著地震動逐漸增大核心筒失效的構件越來越多，外框架承擔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)結構整體失效。本文嘗試對兩個結構采