應用大質量法進行瞬態分析：ANSYS的質量單元MASS21

2017-03-02 by:CAE仿真在線來源:互聯網

在進行結構抗震分析時,往往忽略了地震動的空間變化特性。對于跨度不大的高層建筑或高聳結構而言,地震動的空間變化特性影響不大,采用一致激勵法進行地震反應分析是能夠滿足此類建筑物的抗震設計要求的。但是,對于大跨度橋梁結構而言,大跨橋梁的跨度與地震波的波長都為千米量級,采用一致激勵法與實際情況會有較大出入。所以大跨橋地震反應分析中考慮地震波的空間變異非常有意義,即多點激勵或非一致的地震響應分析。強震發生時,由于受下列三方面因素的影響,地基各點振動的幅值和相位有很大差別。

(1)行波效應。由于地震波傳播速度有限,當支座間距離較大時,應該考慮其到達各支座時間的不同(時滯效應)。

(2)部分相干效應。由于不均勻場地中地震波的反射和折射,以及從震源的不同位置傳播到不同支座的地震波的疊加方式不同,各支座所受的激勵并不完全相干。

(3)局部場地效應。不同支承處場地條件可能不同(不同塔墩基礎的場地土類不同),它們影響地震地面運動的振幅和頻率成分。

(4)衰減效應。

其中前三種影響較大,1、3種可以有效模擬。

目前,我國鐵路工程抗震設計規范(GB50111-2006)和公路工程抗震設計規范(JTJ004-89)只適用于主跨150m以下的梁橋和拱橋,不適用于大跨度斜拉橋與懸索橋的抗震設計。國外大多數橋梁工程抗震規范亦只適用于中等跨徑的橋梁,不適用于斜拉橋與懸索橋。關于斜拉橋的抗震設計,至今未有專門的規范。而大跨度斜拉橋的多點激勵效應問題,雖經進行了一些研究工作,但目前的研究結論還很不一致,其中有些問題還有待于進一步的研究和完善。

在對大跨度橋梁進行多點激勵時程分析時,通過在不同支承點輸入不同的地震波(不同支承處地面運動完全獨立)或以某條地震波為基準在不同點進行相位調整(完全相干情況下的相位差模型)來考慮地震動的空間效應,這顯然過于理想化。因此,建立合理的地震動空間變化模型,己成為多點激勵地震動輸入問題的研究熱點。

為了問題的簡化和分析方便,對于強震持續時間較長的地震動,一般可采用平穩隨機過程來描述。國內外很多學者基于實測地震記錄和規范化反應譜曲線,提出了許多地震動場輸入模型。事實上,這些模型并沒有本質的區別,關鍵是針對場地條件合理地確定模型的參數,以便能較合理地反映震源特征和場地條件對結構反應的影響,其出發點是在各個不同的地面支承處輸入不同的自功率譜來考慮局部場地的變化,而不同支承處地面運動的相關性則用所謂的相干函數模型來反映。目前,國內外己有不少學者提出過自功率譜模型,如Housner、田治見宏和金井清、Clough和penzien、歐進萍、陳厚群等;而相干函數也有多種表達形式,如Harichandran-Vanmarcke模型、Loh模型、Abranhamson模型、Nakamnz模型等,由于彼此統計的數據不同,各模型相互之間差別很大,即使是同一模型在不同的地震中,相干函數值也有較大差別。嚴格地講,每個模型在每一次地震中確定的參數只適用于該模型的該次地震,為此,王君杰、屈鐵軍等人提出了一些改進建議。

分析方法:

采用時域逐步積分法進行動力時程分析。現有通用結構分析軟件中,sap2000只能夠進行一致地震響應的分析,可以直接載入加速度時程。Ansys中進行地震響應分析方法較多,如果是一致地震響應,可以在整體結構上加acel加速度,或使用大質量法。而非一致分析必須使用大質量法,并且要使用到9.0以上版本中才有的命令CMACEL,具體步驟如下:
1.建立模型,不包含大質量點,施加正常約束和重力加速度,求出靜力解。記錄下基底反力;
2.在原有模型基底節點上附屬很大的質量(比如質量可以取結構質量的1E6倍,質量并不是越大越好,利用ANSYS的質量單元MASS21)來帶動結構的響應,并釋放所有基底約束的自由度(地基節點在激勵方向不能約束,結構處于漂浮狀態),將靜力分析所得反力加在基底相應位置,并給除大質量點以外的原結構部分施加重力加速度(cmacel)。此方法的優點是可以得到結構的真實響應位移(包括了地基的平動)。
3.進行時程分析,將加速度時程乘以大質量點的質量轉化為慣性力施加到相應大質量點上,(不同點不同自由度可以單獨施加),即可進行時程分析。
需要注意的是,所施加的加速度時程應當經過基線調整(Baseline Correction地震時程分析中對加速度記錄進行的常用修正),保證積分后位移為零且速度為零,否則結構會產生漂移現象。至于其它關于使用的加速度時程要求的討論,請見下文《地震反應分析中的人工波合理性》。

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