应用 | 桥梁地震波的ANSYS仿真分析方法

2017-03-10  by:CAE仿真在线  来源:互联网

震时震源释放的能量以地震波的形式经过不同的路径、地形和介质传播至地表,由于波的传播特性导致地震地面运动具有随时间和空间不断变化的特征。通常在结构的地震反应分析中,只是考虑地震地面运动的时变特性,而忽略地震地面运动随空间变化所带来的影响。对于高层与高耸结构、中小跨度桥梁等在水平面内的几何尺寸比较小的结构物来说,地震地面运动的空间效应影响很小,计算结果能够满足工程需要。



但对于大跨度结构,由于跨越尺度较大,不同支承点处输入的地震地面运动则存在着一定的差异,从而对结构的地震反应有一定的影响。由于不同支承点处输入的地面运动存在着差异,但从结构分析的力学机理来说都是一致的,因此统称为多点激励效应。考虑多点激励使得大跨度结构的地震反应分析更加符合实际情况,显得更为合理。


按照激励的类型来分,将激励分为一致激励地震响应或者非一致激励地震响应

  • 一致激励地震响应:一致激励采用对整体施加加速度或使用大质量法;

  • 非一致激励地震响应:必须使用大质量法(LMM,Large Mass Method);(从软件使用层面上来说)


下面主要介绍大质量法的基本步骤及优缺点:

  1. 建立模型,不包含大质量点,施加正常约束和重力加速度,求出静力解。记录下基底反力;

  2. 在原有模型基底位置添加大质量点(1e5倍于结构总体质量就好了,质量并不是越大越好),并释放所有基底约束的自由度(结构处于漂浮状态),将静力分析所得反力加在基底相应位置,并给除大质量点以外的原结构部分施加重力加速度(cmacel)。

  3. 进行时程分析,将加速度时程乘以大质量点的质量转化为惯性力施加到相应大质量点上,不同点不同自由度可以单独施加,即可进行时程分析。


需要注意的是,所施加的加速度时程应当经过基线调整(Baseline Correction地震时程分析中对加速度记录进行的常用修正),保证积分后位移为零且速度为零,否则结构会产生漂移现象。


LMM的缺点在于求解方法并没有经过严格的数学推导,仅通过在力学意义上对结构模型进行等效来求得结构的总响应,且大质量的取值应根据实际的结构模型分析结果来确定,当大质量的数值大于某个数值时,结构的数值分析结果会出现不稳定的现象。但运用LMM并采用通用有限元程序来求解可以更加方便快捷地得到结构的总响应,且求解结果接近于地震作用下的结构真实总响应。


综上所述,在桥梁的某点有爆炸波的作用,可以分为如下两种情况:(1)仅对爆炸的约束处施加激励;(2)对所有的约束点施加不同的激励;但是提供不同点的激励有一定的难度,所以选择单点激励。


桥梁对爆炸地震波的响应分析的基本步骤如下:

  1. 建立有限元模型:设置单元属性,实常数,材料属性,建立几何模型,划分网格单元;

  2. 静力分析:施加重力加速度,执行结构静力分析,计算在重力作用下的结构位移,应力及支反力;

  3. 建立大质量单元:在需要施加激励的地方建立质量点单元(设置结构总体质量的1e5倍左右),并释放施加激励处约束的自由度;

  4. 设置瞬态分析的边界条件:将静力分析所得反力加在基底相应位置,并给除大质量点以外的原结构部分施加重力加速度(cmacel),将爆炸波的加速度时程乘以大质量点的质量转化为惯性力施加到相应大质量点上;

  5. 瞬态分析:进行瞬态分析的求解设置,执行瞬态分析。



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