應(yīng)用大質(zhì)量法進(jìn)行瞬態(tài)分析：ANSYS的質(zhì)量單元MASS21

2017-03-02 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析時(shí),往往忽略了地震動(dòng)的空間變化特性。對(duì)于跨度不大的高層建筑或高聳結(jié)構(gòu)而言,地震動(dòng)的空間變化特性影響不大,采用一致激勵(lì)法進(jìn)行地震反應(yīng)分析是能夠滿(mǎn)足此類(lèi)建筑物的抗震設(shè)計(jì)要求的。但是,對(duì)于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)而言,大跨橋梁的跨度與地震波的波長(zhǎng)都為千米量級(jí),采用一致激勵(lì)法與實(shí)際情況會(huì)有較大出入。所以大跨橋地震反應(yīng)分析中考慮地震波的空間變異非常有意義,即多點(diǎn)激勵(lì)或非一致的地震響應(yīng)分析。強(qiáng)震發(fā)生時(shí),由于受下列三方面因素的影響,地基各點(diǎn)振動(dòng)的幅值和相位有很大差別。

(1)行波效應(yīng)。由于地震波傳播速度有限,當(dāng)支座間距離較大時(shí),應(yīng)該考慮其到達(dá)各支座時(shí)間的不同(時(shí)滯效應(yīng))。

(2)部分相干效應(yīng)。由于不均勻場(chǎng)地中地震波的反射和折射,以及從震源的不同位置傳播到不同支座的地震波的疊加方式不同,各支座所受的激勵(lì)并不完全相干。

(3)局部場(chǎng)地效應(yīng)。不同支承處場(chǎng)地條件可能不同(不同塔墩基礎(chǔ)的場(chǎng)地土類(lèi)不同),它們影響地震地面運(yùn)動(dòng)的振幅和頻率成分。

(4)衰減效應(yīng)。

其中前三種影響較大,1、3種可以有效模擬。

目前,我國(guó)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50111-2006)和公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ004-89)只適用于主跨150m以下的梁橋和拱橋,不適用于大跨度斜拉橋與懸索橋的抗震設(shè)計(jì)。國(guó)外大多數(shù)橋梁工程抗震規(guī)范亦只適用于中等跨徑的橋梁,不適用于斜拉橋與懸索橋。關(guān)于斜拉橋的抗震設(shè)計(jì),至今未有專(zhuān)門(mén)的規(guī)范。而大跨度斜拉橋的多點(diǎn)激勵(lì)效應(yīng)問(wèn)題,雖經(jīng)進(jìn)行了一些研究工作,但目前的研究結(jié)論還很不一致,其中有些問(wèn)題還有待于進(jìn)一步的研究和完善。

在對(duì)大跨度橋梁進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)時(shí)程分析時(shí),通過(guò)在不同支承點(diǎn)輸入不同的地震波(不同支承處地面運(yùn)動(dòng)完全獨(dú)立)或以某條地震波為基準(zhǔn)在不同點(diǎn)進(jìn)行相位調(diào)整(完全相干情況下的相位差模型)來(lái)考慮地震動(dòng)的空間效應(yīng),這顯然過(guò)于理想化。因此,建立合理的地震動(dòng)空間變化模型,己成為多點(diǎn)激勵(lì)地震動(dòng)輸入問(wèn)題的研究熱點(diǎn)。

為了問(wèn)題的簡(jiǎn)化和分析方便,對(duì)于強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的地震動(dòng),一般可采用平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程來(lái)描述。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者基于實(shí)測(cè)地震記錄和規(guī)范化反應(yīng)譜曲線(xiàn),提出了許多地震動(dòng)場(chǎng)輸入模型。事實(shí)上,這些模型并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別,關(guān)鍵是針對(duì)場(chǎng)地條件合理地確定模型的參數(shù),以便能較合理地反映震源特征和場(chǎng)地條件對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響,其出發(fā)點(diǎn)是在各個(gè)不同的地面支承處輸入不同的自功率譜來(lái)考慮局部場(chǎng)地的變化,而不同支承處地面運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性則用所謂的相干函數(shù)模型來(lái)反映。目前,國(guó)內(nèi)外己有不少學(xué)者提出過(guò)自功率譜模型,如Housner、田治見(jiàn)宏和金井清、Clough和penzien、歐進(jìn)萍、陳厚群等;而相干函數(shù)也有多種表達(dá)形式,如Harichandran-Vanmarcke模型、Loh模型、Abranhamson模型、Nakamnz模型等,由于彼此統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)不同,各模型相互之間差別很大,即使是同一模型在不同的地震中,相干函數(shù)值也有較大差別。嚴(yán)格地講,每個(gè)模型在每一次地震中確定的參數(shù)只適用于該模型的該次地震,為此,王君杰、屈鐵軍等人提出了一些改進(jìn)建議。

分析方法:

采用時(shí)域逐步積分法進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析?，F(xiàn)有通用結(jié)構(gòu)分析軟件中,sap2000只能夠進(jìn)行一致地震響應(yīng)的分析,可以直接載入加速度時(shí)程。Ansys中進(jìn)行地震響應(yīng)分析方法較多,如果是一致地震響應(yīng),可以在整體結(jié)構(gòu)上加acel加速度,或使用大質(zhì)量法。而非一致分析必須使用大質(zhì)量法,并且要使用到9.0以上版本中才有的命令CMACEL,具體步驟如下:
1.建立模型,不包含大質(zhì)量點(diǎn),施加正常約束和重力加速度,求出靜力解。記錄下基底反力;
2.在原有模型基底節(jié)點(diǎn)上附屬很大的質(zhì)量(比如質(zhì)量可以取結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1E6倍,質(zhì)量并不是越大越好,利用ANSYS的質(zhì)量單元MASS21)來(lái)帶動(dòng)結(jié)構(gòu)的響應(yīng),并釋放所有基底約束的自由度(地基節(jié)點(diǎn)在激勵(lì)方向不能約束,結(jié)構(gòu)處于漂浮狀態(tài)),將靜力分析所得反力加在基底相應(yīng)位置,并給除大質(zhì)量點(diǎn)以外的原結(jié)構(gòu)部分施加重力加速度(cmacel)。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以得到結(jié)構(gòu)的真實(shí)響應(yīng)位移(包括了地基的平動(dòng))。
3.進(jìn)行時(shí)程分析,將加速度時(shí)程乘以大質(zhì)量點(diǎn)的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為慣性力施加到相應(yīng)大質(zhì)量點(diǎn)上,(不同點(diǎn)不同自由度可以單獨(dú)施加),即可進(jìn)行時(shí)程分析。
需要注意的是,所施加的加速度時(shí)程應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)基線(xiàn)調(diào)整(Baseline Correction地震時(shí)程分析中對(duì)加速度記錄進(jìn)行的常用修正),保證積分后位移為零且速度為零,否則結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。至于其它關(guān)于使用的加速度時(shí)程要求的討論,請(qǐng)見(jiàn)下文《地震反應(yīng)分析中的人工波合理性》。

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