项目背景

你可曾惊异于地震下房屋的变形与倒塌(如图1所示)?你又可曾想过其实某栋房屋在地震来临时所产生的最大变形以及其面临倒塌的风险是可以预测的?在这个项目中，你将会系统深入的学习如何借助计算机编程与一定的物理力学分析来预测常见钢结构建筑在地震作用下的响应。

近年来，世界范围内地震频频发生。年的中国汶川地震，年的新西兰克莱斯特彻奇地震，以及年的意大利中部地震给三个地区带来了严重的人员伤亡与经济损失。基于此，全球范围内的学者都针对建筑结构在地震作用下的耐受性与安全性展开了研究。建筑结构在地震作用下的响应有三个最重要的指标:最大层间位移角、最大楼层加速度、以及残余层间位移角。最大位移角指的是每一层楼之间的相对变形，这个指标决定了这栋建筑在地震下是否倒塌;最大楼层加速度指的是每一层楼楼板上的最大加速度值，这个指标决定了天花板吊顶等装饰构件是否会在地震中坠落从而对居民造成伤害;残余层间位移角指的是地震过去后，每一层楼之间最终呈现出的残余变形，这个指标决定了这栋及建筑在地震后是应该被爆破重建还是加固继续使用。

(a)建筑侧移

(b)建筑倒塌

图1.建筑在地震下的响应

研究建筑在地震作用下的响应实际上就是研究地震来临时这三个指标的数值大小。为了得到这三个指标，我们首先需要利用一定的力学分析基础，将建筑抽象成一个个力学单元杆件与弹簧元件，继而我们将利用计算机编程，在开源数值分析平台OpenSees(theOpenSystemforEarthquakeEngineeringSimulation)中建立出建筑的抽象模型，继而引入真实的地震波(如年美国加州的北岭地震)，获取建筑模型在输入地震波后的各类响应数据。最后通过计算机编程语言Python从分析结果中提取我们需要的关键数据(最大层间位移角，最大楼层加速度，以及残余层间位移角)，并将这些数据可视化，使我们对地震破坏有更为直观和量化的认识。

除此之外，这个项目还将量化分析不同楼层数(1层楼，5层楼，9层楼)、不同层高(3米~4米)、不同梁柱尺寸、不同建筑宽度、以及不同地震波对结构地震响应的影响。通过这样一个参数敏感性分析，完成建筑抗震性能的优化。

基本信息

●导师1对1

●远程线上

●项目时长2-5个月

适合人群

●本科生、硕士生、博士生

●对土木工程、材料工程、建筑材料、地震/结构工程、计算机与统计学感兴趣的同学

●希望接触海外顶尖科研团队和教授一起做研究，体验国外科研环境的学生

导师背景

Q.Guo导师

里海大学结构工程博士，美国国家土木工程实验室博士后研究员。匹兹堡大学土木工程硕士毕业，同济大学机械工程荣誉本科毕业。研究方向主要集中于隧道火灾分析、风险评估、高温隧道结构性能和道路交通材料性能等。导师也对混凝土材料的抗压和抗热性能，道路结构，道路弯曲测试，复合材料和材料蠕变行为等均有研究建树。

X.Guan导师

加州大学洛杉矶分校土木工程系结构与地震工程博士后研究员，加州大学洛杉矶分校结构工程博士毕业，华中科技大学结构工程硕士，华中科技大学土木工程荣誉本科毕业。研究领域包括人工智能在增强社区复原性中的应用，极端荷载下建筑结构的试验试验与有限元分析，采用新型装置提高传统结构的抗震性能，自动化设计计算仿真平台开发等。

学习内容

·介绍结构分析、地震工程、以及动力学的一些基础概念，夯实后续分析的基础;

·介绍并完成建筑结构建模:通过对建筑中梁、柱、楼板的力学行为进行抽象，利用计算机编程，在开源分析平台OpenSees中建立建筑结构数值模型;

·引入地震波，利用动力学分析结构在地震波下的各类响应指标;

·利用计算机编程语言Python做数据后处理:从分析结果中收集关键数据并可视化;

·建立多个建筑的结构模型，量化分析不同参数对结构地震响应的影响;

·完成本课题后，学生将获得以下方面的锻炼:

1.培养学生对结构抗震以及预测结构地震响应的兴趣;

2.帮助学生建立扎实的结构分析概念与地震分析理论;

3.引导学生学会利用计算机编程对建筑进行结构建模并进行非线性动力学分析

4.指导学生掌握计算机编程语言Python做数据后处理与可视化;

5.授予学生参数敏感性分析技巧;

6.辅导学生掌握英语口头汇报以及英语学术写作能力;

关键字词

结构分析，结构响应，计算机编程，后处理与数据可视化

主要工具/研究方法

Python编程、数据分析、结构模拟、抗震模型、结构工程、动力学

先导课程

Python编程、统计分析、学术阅读和写作

项目收获

●一段沉浸式的科研经历

●导师个性化推荐信（10所网推）

●EI/CPCI国际会议论文（独立一作）

●SCI/SCCI级别论文可定制（独立一作）