CN116822267A - 一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法 - Google Patents
一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于OPenSeesMP虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，针对科研和实际工程中场地‑结构体系相互作用因网格尺寸跃变，致使计算迭代收敛较差。本文将结构‑场地相互作用近场域与自由场域采用不同的网格不同尺寸进行划分，利用加权平均值方法将远场区节点与近场区域计算信息进行数据传递时时交互，能极大的缩短计算时间，减小计算资源的消耗，提高计算效率，因而具有广泛的应用前景。通过开展的液化场地‑群桩基础‑上部结构体系大型振动台试验验证了该方法的可行性，三维有限元模型中，采用非液化性液化本构，考虑了桩‑土，承台‑土之间的脱离滑移现象，桩基选用纤维材料模拟混凝土的非线性变形。
Description
技术领域
本发明涉及抗震试验模拟技术领域，特别涉及一种基于OPenSeesMP的场地-结构体系相互作用模拟方法
背景技术
循环动力荷载作用下的可液化土-桩基-地上结构体系，常发生因地基液化失效引起基础并耦联上部结构失稳破坏等直接危害。土壤液化后减弱了土体对桩基的侧向约束，并可能发生液化侧向扩展，众多学者通过试验和实际调查一致认为土壤侧向扩展是造成桩基弯曲破坏的成因之一，同时需要考虑上部结构惯性力的影响，此类液化土-桩基-结构动力相互作用实际上是上部结构惯性效应与土体液化侧向扩展运动效应的组合问题。
鉴于模型试验受到试验场地、模型条件、费用和人工等因素等限制，进行大量、全面的试验研究往往不切实际，以Biot多孔介质动力理论为基础的土-结动力相互作用数值分析方法是桩基-液化土-上部结构动力相互作用问题的常用研究手段，能够反映土体液化全过程及结构的失效机制。在液化土-桩基-上部结构动力相互作用分析过程中需要考虑场地土和结构各自的动力性质、液化后砂土力学特性改变、土与结构接触面的变形协调，以及土-结相互作用力的传递等各种因素。采用传统的方法需要将场地-结构体系采用相同尺寸的网格划分，当结构体系较为复杂时，需要划分为极细的网格才能完成结构性网格构建，生成数量庞大的单元和节点数，普通电脑无法支持其运算进而需要庞大的计算资源支撑计算，影响其在工程和实际中的应用。
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，在不减少计算精度的情况下，极大的缩短计算时间。其采用如下技术方案：
1.一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其特征在于，包括：(1)获取可液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系大型振动台试验场地、结构监测数据。(2)根据振动台试验方案，建立液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系动力相互作用整体三维有限元模型，获取场地，结构数据时程，具体包括：
S1、参考试验方案设计，利用前处理软件SKETCHUP软件构建液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系动力相互作用整体三维几何模型；
S2、选用合适的网格单元尺寸，采用六面体结构化网格划分方法对几何模型的近场区和自由场域进行网格划分，并按照并行要求生成并行计算网格；
S3、选用土体液化本构，单元材料本构，结构-场地接触面本构，近场域-自由场域接触面材料
S4、设置合适的边界，采用合适的方法施加地震激励；
S5、绘制液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系加速度、速度、位移、孔压等云图，提取与试验方案中相同空间位置节点的数据信息，与试验检测数据进行对比，验证该方法的可行性。
2.根据权利要求1所述的一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其特征在于，步骤S1中场地-结构体系动力相互作用三维几何模型的建立：
S11、SKETCHUP作为一款三维建模软件具有强大几何建模能力，能利用软件中国的点、线面等工具建立各种各样的模型，参考大型振动台试验方法，构建液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系动力相互作用整体三维几何模型；
S12、在建立几何模型过程中，需要提取将结构体系近场域与自由场域进行剖分为不同的实体几何。
S13、在建立几何模型过程中，需要将几何模型剖分为六面体。
2.根据权利要求1所述的一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其特征在于，步骤S2中考虑局部非连续域的并行计算网格生成：
S21、根据有限元计算要求网格尺寸小于波长的1/8～1/10，得到最小单元尺寸，在科研和工程中结构近场域一般是研究和关注的重点，因此为了获取足够的数据，近场域一般采用较小的网格尺寸，为了保证网格的连续性，一般网格整体尺寸较小，因此本文将场地分为近场域与远场域，采用不同的单元尺寸构建结构性网格。
S22、根据并行计算规则，将液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系网格按照处理器要求划分为并行计算网格。
3.根据权利要求1所述的一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其特征在于，步骤S3中考虑场地本构、结构、本构、单元等的选择：
S31、所述大型振动台试验土层分布为底部为0.5米的密砂层，中部为1.2米的可液化松砂层，顶部为0.3米的粘土层。
S32、黏土和砂土分别选用Pressure Independ MultiYield(PIMY)与PressureDependMultiYield02(PDMY02)，其中PIMY对围压变化不敏感，PDMY02对于围压敏感；
S33、为了尽可能的节约计算时间，土层实体单元选用考虑空间压力场的基于U-P形式的水土动力耦合的为了减少积分所必需的物理稳定包括增强的假定应变场的SSPbrickUP的8节点六面体单元，其具有三个方向的平移自由度(u)和孔隙水压力(p)四个自由度。
S34、桩基单元选用基于力的梁-柱单元，其中混凝土采用考虑抗拉的Concrete02材料，钢筋选用各向同性应变硬化的Steel02材料；
S35、为了尽可能的贴近试验的真实情况，将承台采用物理稳定单点积分六面体实体SSPbrick单元，上部结构采用弹性的I型截面，
S36、采用ASDEA软件公司开发的基于摩尔-库仑准则的摩擦接触单元ZeroLengthContactASDimplex单元对所述土体-结构之间的相互作用进行模拟，结构与场地之间接触的建立，以结构为主节点，场地从节点，通过ZeroLengthContactASDimplex建立结构与场地之间的接触，通过Backward-Euler法进行动力迭代计算；
S37、结构近场域与远场自由场域的网格划分与映射的建立，采用加权平均数将自由场网格映射导近场网格，通过ASDEmbeddedNodeElement单元进行数据时时传输，通过罚函数进行约束。
步骤S4中考虑边界和地震激励方式的选择：
S41、试验采用单向大型层流剪切箱，层流剪切箱由矩形钢管制成的分离环组成。此外，在相邻框架的界面以及外部限制框架与叠层框架之间设置滚动轴承，以形成自由滑动支点，从而更好地实现土壤的自由剪切变形。为了尽可能的还原试验单向层状剪切箱，采用剪切梁边界，使得土层同一高度的外表层与左边界侧角点通过equalDOF命令进行绑定，使得土层外表层土体整体位移同步。
S42、为了模拟限制框对土层横向变形的约束，采用fix命令固定土层限制框侧土层外边界的横向变形，只允许土层水平纵向变形；
S43、为了使得模拟与试验条件一致，通过fix命令对模型底部与两侧面边界处孔压自由度进行约束，使其成为不透水边界；
S44、对所述三维模型的上边界土体孔压自由度不做约束，使水位线设置于所述黏土层表面；
S44、将台面采集的地震波时程，采用一致激励的方法输入在模型底部，将液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系动力相互作用整体三维有限元模型中与试验相同位置的测点与试验结果进行对比，验证该方法的可行性。
5.根据权利要求1所述的一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其特征在于，对所述三维模型加载地震波载荷，之前还需要进行场地与结构的拟静力计算以获取液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系的初始应力、初始位移等：
构建考虑局部非连续域的有限元网格，采用步长为10000的动态步进行拟静力分析来确保分析充分排水，初始动态瞬态消散，初始超孔隙压力消散，获取场地初始应力；
场地-结构在地震激励下会产生非线性，为了确保土体在地震激励下产生不可恢复的塑性变形，采用极小的时间步将土体由弹性调整为塑性，获取最终的场地初始应力；
在开挖后的场地中加载结构体系，采用瞬态拟静力的方法基于较长的时间分析步对结构体系进行重力加载，确保液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系在动力分析前处于拟静力状态。
6.根据权利要求1所述的一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其特征在于，步骤S5中云图的绘制和检测点时程数据的提取；
绘制液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系加速度、速度、位移、孔压等云图，提取与试验方案中相同空间位置节点的数据信息，与试验检测数据进行对比，验证该方法的可行性。
有益的技术效果：
本发明基于OpenSeesMP软件，提出了模拟场地-结构体系局部非连续域的高效并行计算模拟方法，并基于已开展的液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系大型振动台试验建立了液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系三维有限元模型，建立了桩-土，承台-土之间的接触，采用纤维截面考虑桩基的塑性损伤，将试验结果与模拟结果进行对比验证了该方法的可行性，结果证明，此模型计算结果与试验结果吻合较好，能够场地-结构体系的非线性动力反应。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
说明书附图
图1是振动台试验平面图
图2是试验仪器布局平面图
图3是几何模型图
图4是场地-结构体系网格
图5是非连续域网格划分示意图
图6数值模拟中使用的土-桩-上部结构相互作用几何纵剖面
图7是桩基纤维单元
图8是桩-土接触单元
图9是承台-场地接触单元
图10是液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系加速度云图
图11是液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系速度云图
图12是液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系位移云图
图13是液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系孔压云图
图14是液化场地超孔压比时程曲线试验与模拟对比图
图15是液化场地加速度时程曲线试验与模拟对比图
图16是液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系弯矩时程曲线试验与模拟对比图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例模拟的可液化倾斜场地-群桩基础-上部结构体系是由Pengfei Dou等人完成，该试验结构布置如图1所示，其模型地基土层自下而上由0.5m密实砂土层、1.2m可液化饱和砂土层、0.3m粘土覆盖层构成。该两组试验模型地基制作方法为：最下部密实砂土层采用分层夯实与静压相结合的方法，每层虚铺250mm，根据实际情况采用振、压、捣多种施工方式保证模型土的密实度，之后通过水管向模型箱内通水直至漫过砂层顶部20cm，静置2h后进行可液化饱和砂土层的制备。可液化砂土层采用改进的水沉法制备，在模型箱内通入一定高度的水，通过扬砂的方式使细砂均匀洒落于水中，始终保持水面高于砂样表面约10cm。可液化砂层制备完毕后静置6h，在砂土表面铺30cm粘土层作为覆盖层。静置一定时间，以模拟土体天然固结过程。
模型桩基为由嵌固于承台中的4根桩组成的2×2群桩基础，其尺寸为：桩长1700mm，桩身直径100mm，伸入密砂层的长度为400mm(4倍桩径)。桩基嵌固于承台内长度为50mm，模型承台尺寸为：长800mm、宽800mm、高250mm。桩基模型的材料主要由微粒混凝土和钢筋、镀锌铁丝网组成。微粒混凝土是一种模型混凝土，以较大粒径的砂砾作为粗骨料，以较小粒径的砂砾作为细骨料。由于微粒混凝土的施工方法、振捣方式、养护条件以及材料性能都与普通混凝土十分相似，在动力特性上与原型混凝土有良好相似关系，而且通过调整配合比，可以满足降低弹性模量的要求。本次系列试验中模型桩基采用微粒混凝土制作，所采用配合比为水：水泥：石灰：粗砂＝0.5：1：0.58：5。选取测定微粒混凝土试块(7.07cm×7.07cm×7.07cm立方体试块)的抗压强度为17.1Mpa，其弹性模量(10cm×10cm×30cm棱柱体试块)为15340Mpa。由于承台是链接桩基与地上结构的纽带，且在承台部位容易出现应力集中现象，因此，承台采用钢筋混凝土结构。桩基顶端嵌固于承台中，嵌固深度为50mm。上部结构为高度3米的两层集中质量模型，每层配重410kg。参阅图2，传感器布设图，实验中需要测量的信号有：桩身的应变(弯矩)，桩基承台以及上部结构加速度反应，地基土加速度反应，桩身与土体及上部结构的位移，地基土沉降、动土压力、孔隙水压力等。对应所测试信号，需要使用的传感器设备主要有：应变片、加速度传感器、防水加速度计、阵列式位移计(SAA)、激光位移传感器、微型土压力盒、微型孔隙水压力传感器。实验测试加速度信号不同位置采用不同加速度传感器：微型加速度计主要用于上部结构以及承台上，粘贴在结构表面；可液化地基中采用防水加速度计(A1-A6)，主要用于地基土中；此外阵列式位移计SAA中的加速度传感器可用于桩身与地基土加速度测试。根据静压和动压预估，可以在浅层地基采用满量程20KPa或30KPa
本发明实施例中一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其包括以下步骤：
(1)获取可液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系大型振动台试验自由场，近场域和结构监测数据。
(2)根据振动台试验方案，建立液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系动力相互作用整体三维有限元模型，获取场地，结构数据时程，具体包括：
步骤S1中场地-结构体系动力相互作用三维几何模型的建立：
S11、参考图3几何模型图，SketchUp，作为一款三维建模软件具有强大几何建模能力，能利用软件中的点、线面等工具建立各种各样的模型，参考大型振动台试验方法，构建液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系动力相互作用整体三维几何模型；
S12、在建立几何模型过程中，需要提取将结构体系近场域与自由场域进行剖分为不同的实体几何。
S13、在建立几何模型过程中，需要将几何模型剖分为六面体。
步骤S2中考虑局部非连续域的并行计算网格生成：
S21、参考图4，液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系网格图，根据有限元计算要求网格尺寸小于波长的1/8～1/10，得到最小单元尺寸，在科研和工程中结构近场域一般是研究和关注的重点，因此为了获取足够的数据，近场域一般采用较小的网格尺寸，为了保证网格的连续性，一般网格整体尺寸较小，因此本文将场地分为近场域与远场域，采用不同的单元尺寸构建结构性网格，将近场区细化，自由场域在满足计算精度的要求下，为了节约计算资源尽可能的采用更大的网格单元尺寸。
S22、参考图5，根据并行计算规则，综合考虑服务器的计算资源与计算效率，将液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系网格按照并行计算要求划分为并行计算网格。
步骤S3中场地本构、结构、本构、单元等的选择：
S31、所述大型振动台试验土层分布为底部为0.5米的密砂层，中部为1.2米的可液化松砂层，顶部为0.3米的粘土层。
S32、参阅图6，数值模拟中桥梁-地基耦合系统的几何纵剖面，黏土和砂土分别选用Pressure Independ MultiYield(PIMY)与PressureDependMultiYield02(PDMY02)，其中PIMY对围压变化不敏感，PDMY02对于围压敏感；
S33、为了尽可能的节约计算时间，土层实体单元选用考虑空间压力场的基于U-P形式的水土动力耦合的为了减少积分所必需的物理稳定包括增强的假定应变场的SSPbrickUP的8节点六面体单元，其具有三个方向的平移自由度(u)和孔隙水压力(p)四个自由度。
S34、参阅图7，桩基纤维截面，桩基单元选用基于力的梁-柱单元，其中混凝土采用考虑抗拉的Concrete02材料，钢筋选用各向同性应变硬化的Steel02材料；
S35、为了尽可能的贴近试验的真实情况，将承台采用物理稳定单点积分六面体实体SSPbrick单元，上部结构采用弹性的I型截面，
S36、参阅图8，桩-土接触面，采用ASDEA软件公司开发的基于摩尔-库仑准则的摩擦接触单元ZeroLengthContactASDimplex单元对所述土体-结构之间的相互作用进行模拟，结构与场地之间接触的建立，以桩基为主节点，土体为从节点，通过ZeroLengthContactASDimplex建立结构与场地之间的接触，通过Backward-Euler法进行动力迭代计算；
S37、参阅图9，承台-土接触面，以为承台为主节点，土体为从节点，承台与土体之间的接触采用OpenSee官网材料BeamContact3D模拟土-结相互作用，采用Lagrange乘子进行约束。
S38、结构近场域与远场自由场域的网格划分与映射的建立，采用加权平均数将自由场网格映射导近场网格，通过ASDEmbeddedNodeElement单元材料进行数据时时传输，通过罚函数进行约束。
步骤S4中考虑边界和地震激励方式的选择：
S41、试验采用单向大型层流剪切箱，层流剪切箱由矩形钢管制成的分离环组成。此外，在相邻框架的界面以及外部限制框架与叠层框架之间设置滚动轴承，以形成自由滑动支点，从而更好地实现土壤的自由剪切变形。为了尽可能的还原试验单向层状剪切箱，采用剪切梁边界，使得土层同一高度的外表层与左边界侧角点通过equalDOF命令进行绑定，使得土层外表层土体整体位移同步。
S42、为了模拟限制框对土层横向变形的约束，采用fix命令固定土层限制框侧土层外边界的横向变形，只允许土层水平纵向变形；
S43、为了使得模拟与试验条件一致，通过fix命令对模型底部与两侧面边界处孔压自由度进行约束，使其成为不透水边界；
S44、对所述三维模型的上边界土体孔压自由度不做约束，使水位线设置于所述黏土层表面；
S44、将台面采集的地震波时程，采用一致激励的方法输入在模型底部，将液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系动力相互作用整体三维有限元模型中与试验相同位置的测点与试验结果进行对比，验证该方法的可行性。
步骤S5中云图的绘制和检测点时程数据的提取；
参阅图10，液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系加速度云图，从图中可以看到近场域自由场域加速度能较好的过渡，没有出现云图跃变，验证了该方法的可行性；
参阅图11，液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系速度云图，从图中可以看到近场域自由场域速度能较好的过渡，云图没有出现跃变，验证了该方法在能较好的实施速度数据传递；
参阅图12，液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系位移云图，从图中可以看到近场域自由场域位移能较好的过渡，云图没有出现跃变，验证了该方法的可行性；
参阅图13，液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系孔压云图，从图中可以看到近场域自由场域孔压能较好的过渡，孔压云图没有出现跃变，验证了该方法的可行性；
场地响应对比
参阅图14松砂场地远、近场超孔压比时程曲线试验与数据模拟对比图，图中各测点超孔压的试验解和数值解吻合较好，孔压时程曲线变化趋势基本相同，曲线峰值出现的时间也基本吻合。根据图中超孔压发展全过程，对应地震输入加速度时程，将各测点的超孔压时程曲线分为五个阶段：超孔压未发展阶段I，主震作用时超孔压快速形成阶段II，主震作用液化阶段III，余震作用持续液化阶段IV，以及超孔压消散阶段V。阶段II，输入卧龙波主震加速度幅值增长，孔压积累迅速，各测点超孔压时程曲线很快上升，接近初始竖向有效应力，但此时主震的加速度并未达到峰值；阶段III，伴随主震加速度达到峰值时，各测点超孔压增长至最大值，等于初始竖向有效应力，此时土体完全液化。随着主震加速度减小，深层测点超孔压小幅下降，说明孔隙水向上排出，土颗粒进行重分布。阶段IV，余震作用时输入加速度幅值再一次增大，明显看出各测点超孔压再一次出现波峰，等于初始有效应力，说明余震可能会引起土体的二次液化，或持续土体的液化状态；阶段V，伴随输入地震动加速度幅值的减弱，深层和中层测超孔压开始缓慢降低，土体孔隙重分布并逐渐趋于稳定状态，而浅层测点，超孔压始终等于初始竖向有效应力，这是由于松砂层上覆渗透性极低的黏土层，孔隙水向上消散，但黏土层可看作近似不排水边界阻挡了孔隙水排出，孔隙水逐渐积聚于非液化黏土层和松砂层界面处，导致该处附近砂土基本一直处于液化状态。
对比了远场和近桩测点的孔压发展趋势，近桩测点的超孔压在主、余震作用阶段(阶段III和IV)均出现了较为明显的小幅震荡，说明土体发生剪胀，土体剪胀可能是由于结构与土体在振动过程中发生了脱离和滑移，造成土体与结构界面处产生缝隙，为孔压提供了消散通道，也可能由于桩基的存在阻碍了孔隙水的流动，造成孔隙水向桩基周围土体扩散流动，进而引起桩周土体发生膨胀。
参阅图15加速度时程曲线试验与数据模拟对比图，对比试验解与数值解加速度时程，土体中层和深层测点的加速度时程曲线数值结果与试验结果吻合较好。随土体深度的减小，各测点加速度放大系数呈现先减小后增大的趋势。密砂层测点的加速度峰值最大，，松砂层中部测点的反应加速度减小幅度最为明显，到松砂层上部和黏土层测点增大。由此可见桩端处土体的加速度峰值最大，松砂层加速度放大系数衰减至地震输入的50％，由于松砂层自超孔压发展后，一直处于液化状态，地震能量在土体中有明显耗散，说明土体软化(液化后)对加速度幅值具有减小的效果。
结构响应对比
图16为弯矩时程曲线试验与数据模拟对比图，桩基各点的试验和数值弯矩对比结果基本吻合，并且除了桩头和桩端处，其他各测点弯矩的幅值也基本相同。场地土侧移是造成桩基产生残余弯矩的主要因素，模型位移时程，在地震记录输入结束时，地基土液化削弱了土体对桩基的约束，导致地基土液化后桩基的侧向位移幅值减小，因此桩基各点均未出现明显的残余弯矩。试验桩基嵌固方式并未完全固结，桩头存在残余弯矩；桩桩端并未固定，采用自由端形式，桩端上部临近结点(1.7m处)弯矩的数值解幅值较试验解更大。混凝土桩基截面分析的屈服曲率为0.03rad/m，相应的屈服弯矩为2258N*m，对比可见桩基各截面弯矩幅值很小，说明桩在试验过程中基本处于线弹性状态，并未出现明显的非线性反应。
本发明基于OpenSeesMP软件，提出了模拟场地-结构体系局部非连续域的高效并行计算模拟方法，并基于已开展的液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系大型振动台试验建立了液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系三维有限元模型，建立了桩-土，承台-土之间的接触，采用纤维截面考虑桩基的塑性损伤，将试验结果与模拟结果进行对比验证了该方法的可行性，结果证明，此模型计算结果与试验结果吻合较好，能够场地-结构体系的非线性动力反应。
Claims (7)
1.一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其特征在于，包括：
(1)获取可液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系大型振动台试验场地、结构监测数据；
(2)根据振动台试验方案，建立液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系动力相互作用整体三维有限元模型，获取场地，结构数据时程，具体包括：
S1、参考试验方案设计，利用前处理软件SKETCHUP软件构建液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系动力相互作用整体三维几何模型；
S2、选用网格单元尺寸，采用六面体结构化网格划分方法对几何模型的近场区和自由场域进行网格划分，并按照并行要求生成并行计算网格；
S3、选用土体液化本构，单元材料本构，结构-场地接触面本构，近场域-自由场域接触面材料；
S4、设置合适的边界，采用合适的方法施加地震激励；
S5、绘制液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系加速度、速度、位移、孔压云图，提取与试验方案中相同空间位置节点的数据信息，与试验检测数据进行对比，验证该方法的可行性。
2.根据权利要求1所述的一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其特征在于，步骤S1中场地-结构体系动力相互作用三维几何模型的建立：
S11、利用SKETCHUP软件基于大型振动台试验方法，构建液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系动力相互作用整体三维几何模型；
S12、在建立几何模型过程中，需要提取将结构体系近场域与自由场域进行剖分为不同的实体几何；
S13、在建立几何模型过程中，将几何模型剖分为六面体。
3.根据权利要求1所述的一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其特征在于，步骤S2中考虑局部非连续域的并行计算网格生成：
S21、根据有限元计算要求网格尺寸小于波长的1/8～1/10，将场地分为近场域与远场域，采用不同的单元尺寸构建结构性网格；
S22、根据并行计算规则，将液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系网格按照处理器要求划分为并行计算网格。
4.根据权利要求1所述的一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其特征在于，步骤S3中考虑场地本构、结构、本构、单元的选择：
S31、所述大型振动台试验土层分布为底部为0.5米的密砂层，中部为1.2米的可液化松砂层，顶部为0.3米的粘土层；
S32、黏土和砂土分别选用PressureIndependMultiYield与PressureDependMultiYield02，其中PIMY对围压变化不敏感，PDMY02对于围压敏感；
S33、土层实体单元选用考虑空间压力场修正U-P形式水土动力耦合的8节点六面体单元SSPbrickUP，其具有三个方向的平移自由度和孔隙水压力四个自由度；
S34、桩基单元选用基于力的梁-柱单元，其中混凝土采用考虑抗拉的Concrete02材料，钢筋选用各向同性应变硬化的Steel02材料；
S35、将承台采用物理稳定单点积分六面体实体SSPbrick单元，上部结构采用弹性的I型截面；
S36、采用ASDEA软件基于摩尔-库仑准则的摩擦接触单元ZeroLengthContactASDimplex单元对所述土体-结构之间的相互作用进行模拟，桩基与场地之间接触的建立和承台与场地之间接触的建立，以结构为主节点，场地从节点，通过ZeroLengthContactASDimplex建立桩基和承台与场地之间的接触，通过Backward-Euler法进行动力迭代计算；
S37、结构近场域与远场自由场域的网格划分与映射的建立，采用加权平均数将自由场网格映射导近场网格，通过ASDEmbeddedNodeElement单元进行数据时时传输，通过罚函数进行约束。
5.根据权利要求1所述的一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其特征在于，步骤S4中考虑边界和地震激励方式的选择：
S41、试验采用单向大型层流剪切箱，层流剪切箱由矩形钢管制成的分离环组成；此外，在相邻框架的界面以及外部限制框架与叠层框架之间设置滚动轴承，以形成自由滑动支点，从而实现土壤的自由剪切变形；采用剪切梁边界，使得土层同一高度的外表层与左边界侧角点通过equalDOF命令进行绑定，使土层外表层土体整体位移同步；
S42、模拟限制框对土层横向变形的约束，采用fix命令固定土层限制框侧土层外边界的横向变形，只允许土层水平纵向变形；
S43、为使得模拟与试验条件一致，通过fix命令对模型底部与两侧面边界处孔压自由度进行约束，使其成为不透水边界；
S44、对所述三维模型的上边界土体孔压自由度不做约束，使水位线设置于所述黏土层表面；
S44、将台面采集的地震波时程，采用一致激励的方法输入在模型底部，将液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系动力相互作用整体三维有限元模型中与试验相同位置的测点与试验结果进行对比，验证该方法的可行性。
6.根据权利要求1所述的一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其特征在于，对所述三维模型加载地震波载荷，之前还需要进行场地与结构的拟静力计算以获取液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系的初始应力、初始位移等：
构建考虑局部非连续域的有限元网格，采用步长为10000的动态步进行拟静力分析来确保分析充分排水，初始动态瞬态消散，初始超孔隙压力消散，获取场地初始应力；
场地-结构在地震激励下会产生非线性，为了确保土体在地震激励下产生不可恢复的塑性变形，采用极小的时间步将土体由弹性调整为塑性，获取最终的场地初始应力；
在开挖后的场地中加载结构体系，采用瞬态拟静力的方法基于较长的时间分析步对结构体系进行重力加载，确保液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系在动力分析前处于拟静力状态。
7.根据权利要求1所述的一种基于OPenSeesMP考虑局部非连续域的高效并行计算模拟方法，其特征在于，步骤S5中云图的绘制和检测点时程数据的提取；
绘制液化场地-群桩基础-低承台-上部结构体系加速度、速度、位移、孔压云图，提取与试验方案中相同空间位置节点的数据信息，与试验检测数据进行对比，验证该方法的可行性。
Applications Claiming Priority (2)
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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2023
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117216862A (zh) * | 2023-11-09 | 2023-12-12 | 湖南大学 | 一种基于纤维梁单元的三维盾构隧道动力分析模型 |
| CN117216862B (zh) * | 2023-11-09 | 2024-02-02 | 湖南大学 | 一种基于纤维梁单元的三维盾构隧道动力分析模型 |
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