应用大质量法进行瞬态分析：ANSYS的质量单元MASS21

2017-03-02 by:CAE仿真在线来源:互联网

在进行结构抗震分析时,往往忽略了地震动的空间变化特性。对于跨度不大的高层建筑或高耸结构而言,地震动的空间变化特性影响不大,采用一致激励法进行地震反应分析是能够满足此类建筑物的抗震设计要求的。但是,对于大跨度桥梁结构而言,大跨桥梁的跨度与地震波的波长都为千米量级,采用一致激励法与实际情况会有较大出入。所以大跨桥地震反应分析中考虑地震波的空间变异非常有意义,即多点激励或非一致的地震响应分析。强震发生时,由于受下列三方面因素的影响,地基各点振动的幅值和相位有很大差别。

(1)行波效应。由于地震波传播速度有限,当支座间距离较大时,应该考虑其到达各支座时间的不同(时滞效应)。

(2)部分相干效应。由于不均匀场地中地震波的反射和折射,以及从震源的不同位置传播到不同支座的地震波的叠加方式不同,各支座所受的激励并不完全相干。

(3)局部场地效应。不同支承处场地条件可能不同(不同塔墩基础的场地土类不同),它们影响地震地面运动的振幅和频率成分。

(4)衰减效应。

其中前三种影响较大,1、3种可以有效模拟。

目前,我国铁路工程抗震设计规范(GB50111-2006)和公路工程抗震设计规范(JTJ004-89)只适用于主跨150m以下的梁桥和拱桥,不适用于大跨度斜拉桥与悬索桥的抗震设计。国外大多数桥梁工程抗震规范亦只适用于中等跨径的桥梁,不适用于斜拉桥与悬索桥。关于斜拉桥的抗震设计,至今未有专门的规范。而大跨度斜拉桥的多点激励效应问题,虽经进行了一些研究工作,但目前的研究结论还很不一致,其中有些问题还有待于进一步的研究和完善。

在对大跨度桥梁进行多点激励时程分析时,通过在不同支承点输入不同的地震波(不同支承处地面运动完全独立)或以某条地震波为基准在不同点进行相位调整(完全相干情况下的相位差模型)来考虑地震动的空间效应,这显然过于理想化。因此,建立合理的地震动空间变化模型,己成为多点激励地震动输入问题的研究热点。

为了问题的简化和分析方便,对于强震持续时间较长的地震动,一般可采用平稳随机过程来描述。国内外很多学者基于实测地震记录和规范化反应谱曲线,提出了许多地震动场输入模型。事实上,这些模型并没有本质的区别,关键是针对场地条件合理地确定模型的参数,以便能较合理地反映震源特征和场地条件对结构反应的影响,其出发点是在各个不同的地面支承处输入不同的自功率谱来考虑局部场地的变化,而不同支承处地面运动的相关性则用所谓的相干函数模型来反映。目前,国内外己有不少学者提出过自功率谱模型,如Housner、田治见宏和金井清、Clough和penzien、欧进萍、陈厚群等;而相干函数也有多种表达形式,如Harichandran-Vanmarcke模型、Loh模型、Abranhamson模型、Nakamnz模型等,由于彼此统计的数据不同,各模型相互之间差别很大,即使是同一模型在不同的地震中,相干函数值也有较大差别。严格地讲,每个模型在每一次地震中确定的参数只适用于该模型的该次地震,为此,王君杰、屈铁军等人提出了一些改进建议。

分析方法:

采用时域逐步积分法进行动力时程分析。现有通用结构分析软件中,sap2000只能够进行一致地震响应的分析,可以直接载入加速度时程。Ansys中进行地震响应分析方法较多,如果是一致地震响应,可以在整体结构上加acel加速度,或使用大质量法。而非一致分析必须使用大质量法,并且要使用到9.0以上版本中才有的命令CMACEL,具体步骤如下:
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.在原有模型基底节点上附属很大的质量(比如质量可以取结构质量的1E6倍,质量并不是越大越好,利用ANSYS的质量单元MASS21)来带动结构的响应,并释放所有基底约束的自由度(地基节点在激励方向不能约束,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)。此方法的优点是可以得到结构的真实响应位移(包括了地基的平动)。
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。至于其它关于使用的加速度时程要求的讨论,请见下文《地震反应分析中的人工波合理性》。

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