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抗震分析反应谱法和时程分析法数值仿真比较

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抗震分析反应谱法和时程分析法数值仿真比较 第33卷 第3期 2011年9月 西 北 地 震 学 报 NORTHWESTERN SEISMOLOGICAL JOURNAL Vol.33 No.3 Sept.,2011 抗震分析反应谱法和时程分析法数值仿真比较① 吴小峰,孙启国,狄杰建,周迎春 (北方工业大学 机电工程学院,北京 100141) 摘 要:基于ANSYS有限元软件比较抗震分析反应谱法和时程分析法的地震数值仿真结果,研究 二者的共同性和仿真结果的可比较性。结果表明,反应谱法和时程分析法在抗震反应计算中都体 现了地震动特性和结构动态特性对结构地震响应...
抗震分析反应谱法和时程分析法数值仿真比较
第33卷 第3期 2011年9月 西 北 地 震 学 报 NORTHWESTERN SEISMOLOGICAL JOURNAL Vol.33 No.3 Sept.,2011 抗震分析反应谱法和时程分析法数值仿真比较① 吴小峰,孙启国,狄杰建,周迎春 (北方工业大学 机电工程学院,北京 100141) 摘 要:基于ANSYS有限元软件比较抗震分析反应谱法和时程分析法的地震数值仿真结果,研究 二者的共同性和仿真结果的可比较性。结果表明,反应谱法和时程分析法在抗震反应计算中都体 现了地震动特性和结构动态特性对结构地震响应的影响,二者在响应最值和响应频率上的仿真结 果具有一致性。 关键词:有限元模型;反应谱法;时程分析法;地震响应 中图分类号:TU311.3   文献标识码:A   文章编号:1000-0844(2011)03-0275-04 A Numerical Simulation Comparison between Response Spectrum Analysis and Time History Analysis WU Xiao-feng,SUN Qi-guo,DI Jie-jian,ZHOU Ying-chun (College of Mechanical Electronical and Engineering,North China University of Technology,Beijing 100141,China) Abstract:Based on ANSYS FEM software,the simulation results of response spectrum analysis method and time history analysis method are compared.The concurrence of tow methods and comparability of the results are studied.The result shows that the influences of characteristics of ground motion and the structure dynamic characteristics on earthquake response are taken into ac- count in the calculation processes of both methods,and the calculation results of the earthquake response peak values and the main response frequencies are consistent. Key words:Finite element model;Response spectrum analysis method;Time history analysis meth- ods;Earthquake response 0 前言 目前地震反应分析主要分为静力法、反应 谱法和时程分析法[1]。静力法实质上不考虑结构的 动力特征,现在在工程抗震分析上应用较少;反应谱 法操作相对较为简单,现被多国抗震规范推荐使用; 时程分析法动态模拟较为准确,但其计算量大,通常 应用于特别重要结构或不规则结构或其他特殊情 况。反应谱法理论上只适用于弹性结构的抗震分 析,用于非弹性情况必须进行修正,而时程分析法可 直接应用于弹塑性结构的抗震分析计算。我国抗震 规范推荐采用反应谱法和时程分析法[2]。本为通过 分析反应谱法和时程分析法的计算原理,运用AN- SYS有限元软件,以一工程实例的抗震反应计算结 果为基础,讨论反应谱法和时程分析法数值仿真上 的共同性和计算结果的一致性。 1 算法原理 1.1 反应谱法 反应谱法是将动力问题转化为静力问题来计 算,应用结构总响应是各振型响应叠加的原理。反 应谱法首先根据地震波时程记录构造反应谱,再依 据反应谱计算结构各阶振型的最大响应,然后通过 一定的模态合并算法计算总的最大响应[1,3]。可应 用 ANSYS谱分析中的单点响应谱分析法辅助计 算,它是反应谱理论的工程应用。在模态合并算法 上依据我国抗震规范推荐用的算法平方和开方的组 ① 收稿日期:2011-04-23 作者简介:吴小峰(1983-),男(汉族),安徽阜阳人,北方工业大学在读研究生,从事动态仿真、结构设计等方面的学习研究. 合算法。 第i阶模态上的最大响应 Ri=Aiψi (1) 其中:Ri为第i阶模态上的最大响应;ψi为第i阶模 态的振型向量;Ai为第i阶模态的模态系数。Ai的 大小取决于第i阶模态的反应谱值和第i阶模态的 参与系数。参与系数是每阶模态在特定方向上对变 形贡献大小的度量。 平方和开方的组合算法的一般形式 Ra = [∑ N i=1 (Ri)2] 1 2 (2) 其中:Ra 为合并后的模态总体响应;N 为参加合并 的模态数目。 地震反应谱曲线具体反映了地震动特性,模态 振型反映了结构的动态特性,可见反应谱法体现了 地震动特性和结构动态特性对结构地震响应的影 响。 1.2 时程分析法 时程分析法,也称直接动力法,它是根据动力学 运动方程,将地震波时程记录作为激励,直接积分求 解结构在各个时刻的动态响应。可应用ANSYS瞬 态分析中的完全法辅助计算,它依据直接动力分析 理论,积分算法采用Newmark时间积分法。 动力学基本运动方程 [M]{¨u}+[C]{u}+[K]{u}= {Fa} (3) 其中:[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度 矩阵;{¨u}为节点加速度向量;{u}为节点速度向量; {u}为节点位移向量;{Fa}为载荷向量。 地震波时程记录全面的反映了地震动特性,以 此作为激励积分计算结构的动态响应,可见时程分 析法全面体现了地震动特性和结构动态特性对结构 地震响应的影响。 1.3 算法比较 反应谱法的优点是计算方便,计算量小,可有效 的计算结构地震响应的最大值。但反应谱法原则上 只适用于线性结构,地震反应谱不包含相位的信息, 计算精度取决于参与合并振型的数目。时程分析法 可模拟结构在整个地震持续时间内各时刻的地震响 应,可成功的处理各种非线性问题,但其计算量大, 地震响应计算值较大依赖于地震波时程曲线的选 取[4]。 反应谱法实质是振型分解的算法,时程分析法 是积分算法,但反应谱法和时程分析法均体现地震 动特性和结构动态特性对结构地震响应的影响。假 设结构地震反应是线性问题,采用同一地震波,即地 震波时程曲线和反应谱曲线相对应,则反应谱法和 时程分析法计算的结构地震响应具有一定程度的可 比较性。 2 工程实例 2.1 建模 对某高压直流输电换流阀塔建立简化结构模 型。塔为四层悬吊式,顶端由 U型螺栓固定,各层 间由吊杆连接,上端由 U型螺栓连接,下端由铰链 连接,各层承重50kg。吊杆长3.215m,直径0.03 m;纵梁长4.85m;横梁长1.85m;框梁截面0.065 m×0.12m,承重梁截面0.04m×0.085m;吊杆和 承重梁弹性模量8×109 Pa,泊松比0.25,密度2 100 kg/m3;框梁弹性模量2.1×1011 Pa,泊松比0.3,密 图1 El Centro地震波 Fig.1 El Centro wave. 672                   西 北 地 震 学 报                   第33卷 度7 800kg/m3。在抗震分析中,结构材料视为理 想的线弹性材料,阻尼比假定0.05。输入天然的El Centro地震波,只考虑水平地震激励。El Centro 地震波加速度记录和加速度反应谱见图1。   在ANSYS中建立有限元模型,见图2。框梁 和吊杆选用BEAM188单元;U型螺栓和铰链选用 MPC184 中 的 GENERAL JOINT 单 元;选 用 MASS21单元等效承重。BEAM188单元默认是三 维线性梁单元,基于 Timoshenko理论并考虑了剪 切变形的影响,2个节点各有6个自由度,即X、Y、Z 方向的平动和绕X、Y、Z 轴的转动;MPC184单元 是一类多点约束单元,其中GENERAL JOINT是2 个节点的连接单元,默认6个自由度,可指定约束的 自由度以实现不同连接方式的模拟;MASS21单元 是点单元,6个自由度,每个方向可以指定不同的质 量和转动惯量。建立几何模型,并划分网格,指定整 体单元尺寸大小0.300m。共分单元714个, 660个节点。 2.2 计算流程 在有一定承重的柔性悬挂结构中重力因素影响 显著,故考虑重力作用下的预应力影响。由于在模 型中应用了 MPC184单元,所以考虑大变形效果的 作用。在ANSYS中反应谱法和时程分析法的计算 流程如下: 反应谱法计算流程:(1)静力分析,计算重力作 用下的预应力;(2)模态分析,并考虑预应力;(3)单 点响应谱分析;(4)模态扩展;(5)合并模态;(6)结果 后处理。在模态分析中提取前30阶模态,模态扩展 20阶模态。在单点响应谱分析中,谱类型选择加速 度反应谱,激励方向为X向,设置阻尼比为0.05。 时程分析法计算流程:(1)静载荷步分析,考虑 重力产生的预应力;(2)施加地震载荷求解;(3)后处 理分析。在静载荷步分析中,施加重力加速度,关闭 时间积分效果,打开应力钢化效果,并设置极小的时 间值;在后面的地震荷载求解分析中应用矩阵参数 法实现多步载荷的求解,不删除重力加速度,打开时 间积分效果,设定瑞利阻尼,指定载荷为递增载荷, 激励方向为X 向。通过文献[5]计算阻尼的方法, 求得瑞利阻尼系数α=0.069 4,β=0.030 3。 2.3 计算仿真比较 在换流阀顶端由U型螺栓固定连接,故在顶端 节点上约束3个平动的自由度,施加地震载荷并分 别进行反应谱法和时程分析法的抗震分析计算,在 计算结果中提取结构顶层和底层角点处(图2中①、 ②点)的地震响应值,只取激励方向上的响应位移 值。 图2 有限元模型 Fig.2 Finite element model. 2.3.1 响应位移比较 在反应谱法计算的结果中提取选择角点的总响 应位移值,得①号角点总响应位移值0.105 5m,② 号角点总响应位移值0.403 9m;在时程分析法计 算的结果中提取选择角点的各时刻的响应位移值, 绘制响应位移曲线,得响应位移峰值,见图3和表 1。相对误差值是反应谱法和时程历程法计算的响 应最值的偏差除以反应谱法计算的总响应值的商。 表1 响应位移值比较 角点编号 反应谱法/m 时程分析法/m 相对误差/% ① 0.105 5  0.101 3  3.98 ② 0.403 9 -0.406 5  0.64   可见,反应谱法计算的总响应位移值与时程分 析法计算的响应位移峰值在数值上很接近,相对误 差很小,二者仿真结果具有一致性。反应谱法和时 程分析法计算的地震响应实质上都是在地震波载荷 下结构的动态响应,它们在响应值的影响因素上都 同样考虑了结构动态特性和地震动特性,故此它们 在计算的响应最值上相一致。二者计算产生误差的 原因主要是输入激励存在的不确定性[6]和计算过程 产生的误差。 2.3.2 响应频率比较 根据振型叠加原理,结构动态总响应是结构各 阶振型响应的叠加,并且引起结构共振的振型贡献 最大。在反应谱法计算结果中提取各阶振型的模态 系数和振型矢量,计算各阶振型的响应值,并根据计 算响应值的大小确定结构共振的主要响应频率,各 772第3期            吴小峰等:抗震分析反应谱法和时程分析法数值仿真比较              阶振型的响应值是模态系数与振型矢量的乘积。在 时程分析法计算的结果中,对提取的时域响应曲线 作傅氏变换,绘制结构响应的频谱特征曲线,并以此 确定结构共振的主要响应频率。本文对前两个主要 响应频率进行了对比,见图4和表2。 图3 时程分析法的响应位移曲线 Fig.3 Response displacement curves of the time history analysis. 图4 两种方法的主要响应频率对比 Fig.4 Comparison of response frequencies between the two metods. 表2 主要响应频率比较 主要响应频率 反应谱法/Hz 时程分析法/Hz 相对误差% 1  0.158 0  0.158 7  0.44 2  0.367 3  0.366 3  0.27   可见,反应谱法和时程分析法中确定的结构主 要响应频率在数值上相一致。结构共振是由激励频 率与结构固有频率相接近而引起的,反应谱法和时 程分析法计算地震响应中均反映了此现象。但是此 种数值上的接近存在局限性,在时程分析法中共振 频率的识别与激励类型关系密切,冲击型的激励才 比较容易识别,这也是产生误差的主要原因。 3 结论 利用ANSYS有限元分析软件,进行地震仿真 计算比较。结果表明: (1)反应谱法和时程分析法在抗震反应计算中 均体现了地震动特性和结构动态特性对结构地震响 应的影响; (2)在假设条件下,反应谱法和时程分析法在 抗震计算仿真结果上具有一致性,包括响应最值上 的一致性和主要响应频率上的一致性; (下转304页) 872                   西 北 地 震 学 报                   第33卷 contact stiffness and frame moduli in sedimentary rocks[J]. Geophysics,1992,57(12):1571-1582. [24] 席道瑛,陈运平,陶月赞,等.岩石的非线性弹性滞后特征 [J].岩石力学与工程学报,2006,25(6):1086-1093. [25] Van Den Abeele K E A,Carmeliet J,Johnson P A,et al.In- fluence of water saturation on the nonlinear elastic mesoscopic response in earth materials and the implications to the mecha- nism of nonlinearity[J].Journal of Geophysical Research, 2002,107(B6):4-11. [26] 席道瑛,杜赟,易良坤,等.液体对岩石非线性弹性行为的影 响[J].岩石力学与工程学报,2009,28(4):687-696. [27] 杜赟,席道瑛,徐松林,等.岩石非线性细观响应中孔隙液体 的影响[J].岩石力学与工程学报,2010,29(1):209-216. [28] McCall K R,Guyer R A.Equation of state and wave propa- gation in hysteretic nonlinear elastic materials[J].Journal of Geophysical Research,1994,99:23887-23897. [29] Guyer R A,McCall K R,Boitnoitt G N,et al.Quantitative implementation of Preisach-Mayergoyz space to find static and dynamic elastic moduli in rock[J].Journal of Geophysi- cal Research,1997,102:5281-5293. [30] 席道瑛,徐松林,李廷,等.岩石中微细观结构对外力和温度响 应的概率研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(1):15-21. 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