應用 | 橋梁地震波的ANSYS仿真分析方法

2017-03-10 by:CAE仿真在線來源:互聯網

地震時震源釋放的能量以地震波的形式經過不同的路徑、地形和介質傳播至地表,由于波的傳播特性導致地震地面運動具有隨時間和空間不斷變化的特征。通常在結構的地震反應分析中,只是考慮地震地面運動的時變特性,而忽略地震地面運動隨空間變化所帶來的影響。對于高層與高聳結構、中小跨度橋梁等在水平面內的幾何尺寸比較小的結構物來說,地震地面運動的空間效應影響很小,計算結果能夠滿足工程需要。

但對于大跨度結構,由于跨越尺度較大,不同支承點處輸入的地震地面運動則存在著一定的差異,從而對結構的地震反應有一定的影響。由于不同支承點處輸入的地面運動存在著差異,但從結構分析的力學機理來說都是一致的,因此統稱為多點激勵效應。考慮多點激勵使得大跨度結構的地震反應分析更加符合實際情況,顯得更為合理。

按照激勵的類型來分,將激勵分為一致激勵地震響應或者非一致激勵地震響應

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

下面主要介紹大質量法的基本步驟及優缺點:

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;
在原有模型基底位置添加大質量點(1e5倍于結構總體質量就好了,質量并不是越大越好),并釋放所有基底約束的自由度(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)。
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。

LMM的缺點在于求解方法并沒有經過嚴格的數學推導,僅通過在力學意義上對結構模型進行等效來求得結構的總響應,且大質量的取值應根據實際的結構模型分析結果來確定,當大質量的數值大于某個數值時,結構的數值分析結果會出現不穩定的現象。但運用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構的總響應,且求解結果接近于地震作用下的結構真實總響應。

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

橋梁對爆炸地震波的響應分析的基本步驟如下:

建立有限元模型:設置單元屬性,實常數,材料屬性,建立幾何模型,劃分網格單元;
靜力分析:施加重力加速度,執行結構靜力分析,計算在重力作用下的結構位移,應力及支反力;
建立大質量單元:在需要施加激勵的地方建立質量點單元(設置結構總體質量的1e5倍左右),并釋放施加激勵處約束的自由度;
設置瞬態分析的邊界條件: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),將爆炸波的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;
瞬態分析:進行瞬態分析的求解設置,執行瞬態分析。