ANSYS时程分析中的阻尼比

2017-04-26  by:CAE仿真在线  来源:互联网

1.《高规》,《抗规》和《混规》全称是什么?

在设计院里,工程师们将《高层建筑混凝土结构技术规程》简称《高规》,将《建筑抗震设计规范》简称《抗规》,《混凝土结构设计规范》简称《混规》。

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2.在这些规范中常提到时程分析,什么是时程分析?

时程分析法是20世纪60年代逐步发展起来的抗震分析方法。用以进行超高层建筑的抗震分析和工程抗震研究等。至80年代,已成为多数国家抗震设计规范或规程的分析方法之一。

“时程分析法”是由结构基本运动方程输入地震加速度记录进行积分,求得整个时间历程内结构地震作用效应的一种结构动力计算方法,也为国际通用的动力分析方法。

“时程分析法”常作为计算高层或超高层的一种(补充计算)方法,也就是说满足了规范要求的时候是可以不用它计算结构的。规范规定:对于特别不规则的建筑、甲类建筑及超过一定高度的高层建筑,宜采用时程分析法进行补充计算。所以有较多设计人员对应用时程分析法进行抗震设计感到生疏。近年来,随着高层建筑和复杂结构的发展,时程分析在工程中的应用也越来越广泛了。

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3.在这些规范中常提到阻尼比,什么是阻尼比?

《预应力混凝土结构抗震设计规程》JGJ140-2004第2.1.1条定义:阻尼比是阻尼振动的实际阻力与产生临界阻尼所需阻力的比值。

当阻力使振动物体刚好能不作周期性振动而又能最快地回到平衡位置的情况,称为临界阻尼。

可见,阻尼比越大,结构越“刚”,阻尼比越小,结构越“柔”。因此隔震减震设计中常常采用设置阻尼器的方式。

阻尼比是无单位量纲,表示了结构在受激振后振动的衰减形式。结构常见的阻尼比都在0~1之间。

• 阻尼比ξ=0,称为无阻尼;

• 阻尼比0<ξ<1,称为欠阻尼;

• 阻尼比ξ=1,称为临界阻尼;

• 阻尼比ξ>1,称为过阻尼。

下图为不同阻尼比ξ条件下的位移时程曲线,具有如下特征:

• 无阻尼振动(阻尼比ξ=0),振幅不衰减。

• 欠阻尼振动(阻尼比0<ξ<1),振幅逐渐衰减,也就是恢复到平衡状态的时间超过一个周期。

• 临界阻尼振动(阻尼比ξ=1),振动到一个周期,振幅刚好衰减到0,也就是恢复到平衡状态的时间刚好为一个周期。

• 过阻尼振动(阻尼比ξ>1),因为过阻尼的时候阻尼力比临界阻尼时候大,趋于平衡状态的时候总的恢复力小,自然表现出来的就是衰减比临界阻尼的要慢。

时程曲线来源:瞬态动力学专题-单自由度系统自由振动ANSYS分析。

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4.规范中常用阻尼比取值归纳

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010,简称《高规》

11.3.5 影响结构阻尼比的因素很多,因此准确确定结构的阻尼比是一件非常困难的事情。试验研究及工程实践表明,一般带填充墙的高层钢结构的阻尼比为0.02左右,钢筋混凝土结构的阻尼比为0.05左右,且随着建筑高度的增加,阻尼比有不断减小的趋势。钢-混凝土混合结构的阻尼比应介于两者之间,考虑到钢-混凝土混合结构抗侧刚度主要来自混凝土核心筒,故阻尼比取为0.04,偏向于混凝土结构。风荷载作用下,结构的塑性变形一般较设防烈度地震作用下为小,故抗风设计时的阻尼比应比抗震设计时为小,阻尼比可根据房屋高度和结构形式选取不同的值;结构高度越高阻尼比越小,采用的风载荷回归期越短,其阻尼比取值越小。一般情况下,风载荷作用时结构楼层位移和承载力验算时阻尼比可取为0.02~0.04,结构顶部加速度验算时的阻尼比可取为0.01~0.05。(第319页)

《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010,简称《抗规》

5.1.5除有专门规定外,建筑结构的阻尼比应取0.05。(建筑结构是指普通钢筋混凝土结构)(第34页)

8.2.2 钢结构抗震计算的阻尼比宜符合下列规定:

1 多遇地震下的计算,高度不大于50m时可取0.04;高度大于50m且小于200m时,可取0.03;高度不小于200m时,宜取0.02。

2 当偏心支撑框架部分承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时,其阻尼比可比本条1款相应增加0.005。

3 在罕遇地震下的弹塑性分析,阻尼比可取0.05。(第99页)

《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010,简称《混规》

11.8.3 预应力混凝土框架结构的阻尼比宜取0.03;在框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构及板柱-剪力墙结构中,当仅采用预应力混凝土梁或板时,阻尼比应取0.05。(第198页)

《构筑物抗震设计规范》GB 50191-2012

5.1.9 构筑物的阻尼比除本规范另有规定外,其余均可按0.05采用。(第37页)

7.2.1 钢框排架结构的阻尼比可取0.03。(第81页)

8.2.3 锅炉钢结构在多遇地震下的阻尼比,对于单机容量小于25MW的轻型或重型炉墙锅炉可采用0.05;对于单机容量不大于200MW的悬吊式锅炉,可采用0.04;对于单机容量大于200MW的悬吊锅炉,可采用0.03;罕遇地震下的阻尼比可采用0.05。(第111页)

9.2.3 钢筒仓在多遇地震下的阻尼比可取0.03,在罕遇地震下的阻尼比可取0.04。(第119页)

10.2.3 钢筋混凝土井架的阻尼比可采用0.05;钢井架多遇地震下的阻尼比可采用0.03,在罕遇地震下的阻尼比可取0.04。(第129页)

11.2.3 钢筋混凝土井塔的阻尼比可采用0.05;钢井塔在多遇地震下的阻尼比可采用0.03,在罕遇地震下的阻尼比可采用0.04。(第137页)

13.2.7 电视塔阻尼比可按表13.2.7选取(第155页)

《预应力混凝土结构抗震设计规程》JGJ 140-2004

3.1.2 以预应力框架结构、板柱-框架结构作为主要抗侧力体系的建筑结构,其阻尼比应取0.03。注2中规定:当在框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构及板柱-剪力墙结构中,采用预应力混凝土梁或板时,仍应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011取阻尼比为0.05的地震影响系数曲线,确定水平地震力。(第5页)

当结构中仅在局部采用预应力梁或板时,则应适用《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第5.1.5条,按普通钢筋混凝土结构采用阻尼比0.05。如果所采用的计算软件允许对构件分别定义其阻尼比,可以将预应力构件的阻尼比定义为0.03,结构整体阻尼比仍应取0.05。

5.在ANSYS时程分析中,阻尼比怎么设置?

瞬态动力学分析,亦称时间历程分析,简称时程分析。

还是以“单自由度系统自由振动ANSYS分析”为例,进行说明。

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一、问题描述

一个单自由度系统的有阻尼自由振动,质量m = 0.5 kg,刚度k =5 kN/m,阻尼比ξ = 0.02。初始向下受拉力,使弹簧伸长0.2m,然后突然释放,计算位移随时程响应情况。

二、理论分析

单自由度弹簧质量系统的固有频率f、圆频率ω和固有周期T关系式

阻尼比ξ与阻尼系数c、质量阻尼系数α、刚度阻尼系数β、对数衰减率δ之间的关系式为

以上两组公式对于复杂结构,仍然适合。只是固有频率的计算,需要进行ANSYS的模态分析,计算出固有频率。

根据以上公式,求得固有频率f = 15.915Hz,固有周期T = 0.0628s。

阻尼比ξ = 0.02时,阻尼系数c = 2,质量阻尼系数α= 4,刚度阻尼系数β= 4e-4,对数衰减率δ= 0.125688846。

三、ANSYS步骤

经过反复ANSYS数值模拟实验,总结出以下7种输入相关阻尼的等效方法。

(1)阻尼系数c = 2

适合于单元阻尼,比如本例子COMBIN40单元在实常数中输入。

GUI:Main Menu>Preprocessor> Real Constants> Add→ Type 1→ OK→ Real Constant Set No.:1,弹簧刚度K1:5000,阻尼系数C:2,质量M:0.5→ OK→ Close。

APDL:R,1,5000,2,0.5 !弹簧刚度、阻尼系数和质量

(2)材料阻尼,质量阻尼系数α = 4

GUI:Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ Structural→ Damping→ Mass Multiplier →ALPD:4 → OK。

APDL:MP,ALPD,1,4 !等同于α阻尼

(3)材料阻尼,刚度阻尼系数β = 4e-4

GUI:Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ Structural→ Damping→ Stiffness Multiplier →BETD:4e-4 → OK。

APDL:MP,BETD,1,4e-4 !等同于β阻尼

(4)材料阻尼,刚度阻尼系数β = 4e-4

GUI:没找到菜单,可直接通过APDL输入。

APDL:MP,DAMP,1,4e-4 !材料阻尼,等同于β阻尼

(5)全局性的阻尼,质量阻尼系数α = 4

GUI:Main Menu> Solution> Analysis Type> Sol’n Controls→Transient→ Mass matrix multiplier (ALPHA):4 → OK。

APDL:ALPHAD,4

(6)全局性的阻尼,刚度阻尼系数β = 4e-4

GUI:Main Menu> Solution> Analysis Type> Sol’n Controls→Transient→ Stiffness matrix multiplier (BETA):4e-4 → OK。

APDL:BETAD,4e-4

(7)全局性的阻尼,对数衰减率δ = 0.125688846

GUI:Main Menu> Solution> Analysis Type> Sol’n Controls→Transient→ Amplitude decay GAMMA:0.125688846 → OK。

APDL:TINTP,0.125688846

全局性的阻尼包括Rayleigh阻尼(α阻尼和β阻尼)和对数衰减率,对数衰减率是一种数值阻尼。

当模型由许多不同材料部件或构件组成时,各部分的材料阻尼相差甚远,需要考虑阻尼的局部差异。为了考虑这种情况,ANSYS采用材料阻尼作为一种附加手段。

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