應(yīng)用 | 橋梁地震波的ANSYS仿真分析方法

2017-03-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

地震時(shí)震源釋放的能量以地震波的形式經(jīng)過不同的路徑、地形和介質(zhì)傳播至地表,由于波的傳播特性導(dǎo)致地震地面運(yùn)動(dòng)具有隨時(shí)間和空間不斷變化的特征。通常在結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析中,只是考慮地震地面運(yùn)動(dòng)的時(shí)變特性,而忽略地震地面運(yùn)動(dòng)隨空間變化所帶來的影響。對(duì)于高層與高聳結(jié)構(gòu)、中小跨度橋梁等在水平面內(nèi)的幾何尺寸比較小的結(jié)構(gòu)物來說,地震地面運(yùn)動(dòng)的空間效應(yīng)影響很小,計(jì)算結(jié)果能夠滿足工程需要。

但對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu),由于跨越尺度較大,不同支承點(diǎn)處輸入的地震地面運(yùn)動(dòng)則存在著一定的差異,從而對(duì)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有一定的影響。由于不同支承點(diǎn)處輸入的地面運(yùn)動(dòng)存在著差異,但從結(jié)構(gòu)分析的力學(xué)機(jī)理來說都是一致的,因此統(tǒng)稱為多點(diǎn)激勵(lì)效應(yīng)?？紤]多點(diǎn)激勵(lì)使得大跨度結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析更加符合實(shí)際情況,顯得更為合理。

按照激勵(lì)的類型來分,將激勵(lì)分為一致激勵(lì)地震響應(yīng)或者非一致激勵(lì)地震響應(yīng)

一致激勵(lì)地震響應(yīng):一致激勵(lì)采用對(duì)整體施加加速度或使用大質(zhì)量法;
非一致激勵(lì)地震響應(yīng):必須使用大質(zhì)量法(LMM,Large Mass Method);(從軟件使用層面上來說)

下面主要介紹大質(zhì)量法的基本步驟及優(yōu)缺點(diǎn):

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;
在原有模型基底位置添加大質(zhì)量點(diǎn)(1e5倍于結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量就好了,質(zhì)量并不是越大越好),并釋放所有基底約束的自由度(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)。
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)過基線調(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。

LMM的缺點(diǎn)在于求解方法并沒有經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo),僅通過在力學(xué)意義上對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行等效來求得結(jié)構(gòu)的總響應(yīng),且大質(zhì)量的取值應(yīng)根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)模型分析結(jié)果來確定,當(dāng)大質(zhì)量的數(shù)值大于某個(gè)數(shù)值時(shí),結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析結(jié)果會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。但運(yùn)用LMM并采用通用有限元程序來求解可以更加方便快捷地得到結(jié)構(gòu)的總響應(yīng),且求解結(jié)果接近于地震作用下的結(jié)構(gòu)真實(shí)總響應(yīng)。

綜上所述,在橋梁的某點(diǎn)有爆炸波的作用,可以分為如下兩種情況:(1)僅對(duì)爆炸的約束處施加激勵(lì);(2)對(duì)所有的約束點(diǎn)施加不同的激勵(lì);但是提供不同點(diǎn)的激勵(lì)有一定的難度,所以選擇單點(diǎn)激勵(lì)。

橋梁對(duì)爆炸地震波的響應(yīng)分析的基本步驟如下:

建立有限元模型:設(shè)置單元屬性,實(shí)常數(shù),材料屬性,建立幾何模型,劃分網(wǎng)格單元;
靜力分析:施加重力加速度,執(zhí)行結(jié)構(gòu)靜力分析,計(jì)算在重力作用下的結(jié)構(gòu)位移,應(yīng)力及支反力;
建立大質(zhì)量單元:在需要施加激勵(lì)的地方建立質(zhì)量點(diǎn)單元(設(shè)置結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量的1e5倍左右),并釋放施加激勵(lì)處約束的自由度;
設(shè)置瞬態(tài)分析的邊界條件: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),將爆炸波的加速度時(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;
瞬態(tài)分析:進(jìn)行瞬態(tài)分析的求解設(shè)置,執(zhí)行瞬態(tài)分析。