（水利水电工程专业论文）渡槽结构多点地震输入的抗震分析.pdf

箍燮 地震输入阿蹶是进行结构地震反应的前提和基础。传统的一致地震动输入 缎窥番支承点静蟪蕊运动粳麓。对于大跨缝梅来说，由予结构斡各支承点据距 较滋，各支零煮受垂静逢震激獭是苓相阕静，故一致地震渡输入分桥，不能反 映地震波的空间变动问题，威采用多点地髓波输入。本文以沼河渡糟的抗震分 析为背景，应用a n s y s 软件建立了渡槽结构单跨模型和三跨模型，采用 e l - c e n t r o 她震波激瘸，琴! | 建蔟悫部a p d l 溪富壤剁遮栽波一致鲶入纛多点羧入 耩搿，计算渡穰结梅一致输入单跨模型、一致输入三蹲模型和多煮输入三跨模 型地震反应，将三者地震反威分量进行比较，分析模型和行波效应甜结构地震 反威的影响。对威单跨模型和三跨模型相威位置选择了六个点，分别柱边底板、 缀粱、控轩、孛懑教、孛壤援鼗透墙投，终鸯 较点。瓣魄莘跨模黧一致输入 和三跨模型一致输入的地震魇应，分析模型对地震反波的影响。对比三跨模型 一致输入和三跨模型多点输入的地震反应，分析形波效成对地震反臌的影响。 分析结果表明：( 1 ) 模型对渡横结构地震眨应分量影响最大的是纵内位移。纵 淘缝震渡痒爱下，三跨模螯缀淘往移大予肇跨模鍪，箕继五卞反应分鲞都枣子 单踌模型。横向地震波作用下，三跨模型豹纵向位移小于单跨模型，横向和竖 向饿移也小于单跨模型，三跨模型的横向内力、纵向弯矩和竖向弯燎大于单跨 模溅，其中横向内力增大幅度较大，三跨模型鲍纵向内力、竖向内力、横向弯 艇裙魄单跨模蘩夺，萁孛缀袅辘力、攒两鸾薤减小餐魔较大。采爱三跨模垄诗 算，比采用单跨模型更符合实际，单跨模溅的反应整体上大于三跨模型。( 2 ) 考虑行波效应，太壁反应分擞不受影响或受影响较小，但也有一些发应分量有 较大变也，如地震波输入方尚靛位移显著减小，薅垂煮予地震波竣入方向静位 移笈应分量寿增穴趋势。缀辩缝震波佟蔼下，除缀囱蕊穆帮攮商弯斑显著减，l 、 外，其他分量几乎不受影响。横向地震波作用下，纵向能移显著变大，横向位 穆照著减小，横向轴力显著增大，其他五个分量受影响较小。一致输入是目前 广泛应用蛇越震凌输入方法，应采鼹多点竣入方法进行骏涯。 关键宇：渡槽；多点输入；多跨模型；抗震分析；a n s y s m u l t i p l es u p p o r t s e i m i er e s p o n s e a n a l y s i so f 嘲a q u e d u c t n gl i n g - x i a n g w a t e rr e s o t ea n d h y d r o e l e c t r i ce n g i 脯d n g t u t o r ：w e ij i m 唧。 弱瑶s e i s m i c 蛾i st h eh y p o t b 措s i so fs m _ , e m r u l 辩警澉珏i sa s s u m e d 遮t h e c o n v e n t i o n a le o 氛既鞘暖h 疰b 疆黼i n p u tt h a ta l lo f t h es u p p o r tp o i n t sh a v et h e 鞘黼g r o u n d m o v e m e n t s a sf o r 姻t h ej 硼n 咖c t a r ei se o n c e m o d tt h e r ej sd i f i r e r 黜c ei ng r o u n d m o v e m e n tb e t w e e nd i f f e r e n tp o i n t s c o h e r e n t - v i b r a t i o ni n p u tc a n tr e f l e c tt h ee a r t h q u a k e m o v e m e n tc h a n g 燕t h e r e f o r e , m u l t i - i 掣ts h o u l db et a k e ni n t ou t i l i t y t h ep a p e ri sb a s e d u p o nt h es e i s m i cr e s p o n s e 越挂瞵i so f t h em i n g - h ea q u e d t 斌u s i n ga n s y ss o rw l r e - s o n e - s p a nn k i d a la n dt h r e e - s p a nm o d a l i sf o u n d e d a c c o r d i n g 协a n s y sp a r a m e t e r d e s i g n i 尉l 谬l a g e ，c o h e r e n t - v i b r a t i o ni 1 1 p 城p r o g r a m a n d m u l f i - s u t 】p o r ts e i s m i ci l 单眦p r o g r a m i s c o m p i l e d c o n t r a c t i n g t h es o l u t i o no f m u l t i - i n p u tt ot h r e e - s p a nm o d a l 、代蠡搿蹦融哦t o t h r e e - s p a nm o d a l 、c o h e r e n t - i n p u t 祀o n e - s p a nm o d a l t h ep a p e rs h o wt h ei n f l u e n c eo f m o d e la n dt r a v e l - w a v ee f f e c t a sk e yn o d e s , s i xn o d e s ec h o o s ei nb o t ho n e s p a nm o d a l a n d t h r e e - s p a n m o d a l r e 印篾懒a t f i d e - b o t t o m - p l a t e 、l o n g i t u d i n a l b e a m 、b r a c e b e a m 、 m i d - b o t t o m - p h t e 、m i & a , a l i - # a t ea n d 垂纛硎l 磷蘸瞄p 赢n 霉r e s p o n s eo f 濑磬萼酸 m o d a lu n d e rc o h e r e m - v i b m t i o n i n p u t w i t h r e , s p o n s e o fm u l t i - s p a nm o d a lu n d e r c o h e n t - v i b r a f i o ni n p u t , t h ec o n c l u s i o nt h a th o wt h em o d e le f f e c tt h es e i s m i cr e s p o n s ei s a c h i e v e d c o m p a r i n gr e s p o n s eo ft h l x e - s p a nm o d a l 瑗证盯c o h e r e n t - v i b r a t i o n 嘲w i t h 嚣蹲僦辩o ft h r e e - s - p a n 强磷u n d e rm u l t i - s u p p o r t 斌t h ec o n c l u s i o nt h a th o w t h e t r a v e l - w a v ee f f - o 鹭t i m p a c tt h es e i s m i cr e s t x m s e i s a c h i e v e d 。a n a l y s i sr e s u l t s i nt h e c o n c l u s i o n ：( 1 ) a m o n gt h er e s p o n s e s d i s p l a c e m e n ti se f f 沁t e dm o s ts e r i o u s l yb y m o d e l u n d e r e x c i t i n g o f x d j , r e 娃o r u x i n t h r e e - s p a n m o d e l i s b i g g e r t h a n t h a t i n o n e - s p a n m o d e lw h i l eo t h e rr e s p o n s ec o m p o n e n ti nt h r o e - s p a nm o d e li ss m a l l e rt h a nt h a t i n o n e - s p e nm o d e l u n d e re x d 畦n go f xd i r e c t o r , u xi nt h r e e - m o d e li ss m a l l e rt h a nt h a ti n o n e - s p a n m o d e la ss a m ea su ya n du z m o r eo v e r f y 、a n dm zi nt h r e e - s p a nm o d e li s b i g g e r t h a n t h o s e i n o n e - s p a n m o d e l f x 、f z a n d m z i n t h r e e - m o d a l i s s m a l l e r t h a n t h o s e i n o n e - s p a nm o d e l 。t h r e e - s p a nm o d e li s 珏k 僻c o i n c i d e n tw i t hf a c tt h a no n e - s p a nm o d e l 。 r e s p o n s ec o m p o n e n t s i n o d e - s p a n m o d e l a l l a g g e r t h a nt h o s ei nt h r e e s p a nm o d e li nb r i e f ( 2 ) t a k i n g t h et r a v e l - w a v ee f f e c ti n t oc o m i d e r a t i o n m a n yr e 搿t o u s ec o m p o n e n t sa r en o t i n f l u e n c e db yi lh o w ；i e v e r , s o m e 瓣e f f e c t c dv e r ys e r i o u s l y f o re x a m p l e 。d i s p | a c e m e n t a l o n gt h ee x i t i n gd i r e c t i o nd e c r e a s e dc l e a r l yb u td i s p l a c 懿a e mv e r t i c a l 约t h ee x i t i n g d i r e c t i o nh a v et h et r e n do f i n c r e a s i n g u n d e re x c i t i n go f xd i r e c t o r ，w i t ht h e e x c e p to f u xa n dm y d e c r e a s i n gg r e a t l y , o t h e rr e s p o l l s ec o m p o n e n t sc h a n g e l i t t l e u n d e r e x c i t i n go f y d i l 宅c r ) r , u y d e c r e a s e g r e a t l y a n d 国i n c r e a s e 督磁取a t h e r r e s p o n s e c o m p o n e n t s c h a n g e l i t t l e c o h e r e n t - v i b r a t i o ni n p u ti st h ec o n v e n t i o n a lm e t h o dw h i c hs h o u l db ev 耐五e db y m u l t i - s u p p o r t s e i s m i c i n p u t k e y w o r t h ：a q u e d u c t ；m u l t i - i n p u t ；m u l t i - s p a n m o d a l ts e i s m i c a n a l y s i s ；a n s y s 独剖牲声明 零天声骥器量交瓣攀醢论文楚零天窿导簿措器下遘簿懿鞭瓷王箨塑激褥 豹研究戚聚。蕹我所瀚，除了文率蒋嬲加瑷标注期皴谢酌遗方郫，论文率不包 含其他人游缀发表或撰褥过的研究成聚，也不包禽为获得趣j b 懿逃太堂或其它 教育视梅黪攀整或涯书褥使凑过载树艇。与鼗一溪王痒酶露卷魁零舔究瑟骰瓣 任囊灵簌均跫在瓷交孛箨了夔囊瓣诞蕊蒡表示了谢意。 学整鎏文簿蠹签塞；擞毒签字鞲麓：勰争拳嘉冀窍霭 关手论文使用授权的说明 本学位论文作者完套1 7 解迩j s 熬煅本堂有关保姆及使甩学位论文的规趟，礴 蔽绦餐势游凌蒙毒美鬻门疑撬) 送变涟文夔复帮搏器磁盘，兔诲澹文疆查( 撩 鼹。本入我权鋈鏊壅魏杰翌可获褥论文箭全都或部分离容编入有关数据痒避行 检索，可以来用影印、缩印或扫描等方法加以保栉硪编成学位论文。 ( 爨密黥喾注论文褒髅蜜蓐痤遵守姥瓷谈 学整皱黼躲燃 萼辨撼缎l 霹 链字同期：御妒 苹& 月鸹臼 签字翻期：酬哗年占肖屿网 渡槽缩榴多点地震辕入的抗震分析 1 1 本课题研究的意义 1 引言 速震输入闻疆是结褥造震反应分辑的嚣撬霸基礤 1 1 。l i t 羞辩学蔽寒箨王程技零静焚飞 猛进，犬溅、超大型结构不断的兴建，地震动空间变化对大跨度结构的影响越来越不可忽 略。溜河渡槽是南水北调工程中较大的渡槽【2 】，南水北调中线工程全长1 2 4 0 公里，总千渠与 涎道、渠道、铁路、公髂等攘交，因此，渡槽数量重大。它们大部分建设在地震区，楣痤 的安全饿闻惩氇藏成隽设计中不可潮遴静阅蘧。藐国新矮毒瓣建筑菰囊设计撬范 ( d j 5 0 7 3 - 2 0 0 1 ) 【3 l 中仍米提及渡槽抗髓设计，有关的文献报道也极少，致使我国渡槽抗震 设计无所遵循州。 沼涎渡攫全长8 8 5 m ，狴身段6 8 0 m ，为簿支结擒，熬1 7 跨，萃跨妖4 。臻。渡撞设防烈 度为7 废，娃于二类场堍主1 2 l 。对于这样静大跨结构，进行抗震设计辩，由于结梅酶备支 承点相躐较远，当地震黢生时，结构志承点之间土质荣件、几何特褫、地震波到达的时间 等很多方灏都存在差异，敞各支承点受别的地震激励怒不相同的。不仪地震波擐大峰值到 这冬支承熹懿醚阗不裁。其方蠢、拯蘧、糖证班爱频落褥 垂都不攘弱。露燕，这静蟪震作 用是多点的。僵目前抗震分析中采用丽部单支承，一致地震波输入分街，不能反映以上地 震波的擞间变动问题，敞应考虑多点地簏波的输入。 在现行的抗震规范中，除欧洲规范考虑了地震动的空间变化性外，其余规范都是采用 一致蟪震波辕入瓯一致缝鬟渡输入，瓣手空凌足尊较夺豹鞫蓑浆燕霉疆接受豹，纛瓣于 大跨度结构，如渡稽、桥梁、核电站、隧道、夫坝等。若仍采用传统的计算方法，驻然不 能满足其精确度。因为地震时从震源释放出来的能萤以地震波的彤斌传至地表，地寝各点 接收到的地震波是经由不同的路径、不同豹地形地璜条件而到达的，因而反映到地袭魍震 动鍪然存在差异猃7 1 ，嚣l i t ，开曩大型浚槽结梅多煮壤入撬震反应分褥建谚与痉瘸磷究，苓 仅有现实的实际意义，阎时在理论上也搬有价值，本文正是在此背景下开展研究的。 l 。2 磺究现状 1 2 1 多点输入分橛方法研究现状 结构多点输入反应的计算研究方法主要有：时穰分析法、反应谶法和随机振动分析法 1 8 1 。时稷分析法是用予确定承受任意的随时间变化荷裁的结构的动力学响应的一种方法。 反应谱法是最基本的方法，单鱼由度体系鼬反应由反废谱得到，多照由度体系根据搬型盏 加法由薄童峦度俸系获褥，餐是箕疆宠所有静支壅攘竞垒相同懿瓶薰遥动。蓬瓿援渤法由 河北农业大学嘲士学位论文 予充分考虑了地震发生的统计概率特性，被广泛的认为是摊较为先进合蠛纳分据工具。 夫鹫霾臻褥在多纛辕a 下，其力学掇臻毒一蘩逮霪输入冬奁较丈蓑爨，这静瑗蓦穰零 就g 起了丸熊辩注意。蓍海辨众多学者对箕滤动规律、研究方法、及瘟鞠替骰了丈量的工 忭，得出很多谢髓的结论，井谯学术上展开丫辩论。1 9 6 9 年d i b a j ( 迪拜) 。p c n z i e n ( 彭浮) 谯用有限元法努捺摆渡对域嫒应黪响时，嚣毙摧导了多点拯a 黪运动蠢糕。扶嚣年代怒， a g h g f f a r ( 捺笈) 载在辩阚域器运步褫分淡蘸走薄瘦辨巢趣撬震毪隧畿7 最多蟹究 i 。p e n z i e n ( 辩津) 等在8 0 苹代初曾蒋狡电黼管线系统散了较大的简纯精舟剐从时间城掷 频率域研究了熊在不均匀场地激励下的安全性问题，其结论为：忽略参与搬犁之间的相熬 燎期埚媳不蟓岛槛都会导致攮大敕误差糍桃搬动法毙厦擞邂法更糖确，魄黠超赁程法蹙 熬燕，蓬褥褰棱秀蘸藐囊诿诗串整荐；r t 。s e v e r n 塞交) 嚣亲逛分辫程瓣援装纛鞭舔 域研究了多廉懋索桥的抗震能髓，并建议阁凝应谱法代替滩以求解的随机搬动法，他程计 然中忽略掉了地丽运动的非均匀性；e k a u s o l ( 考塞尔) 考虑了地面运动的非均匀性，认 必菠撬擐蘑势麟禳难蓑褥满意鼹缝暴，袁徽了一系刭蘸缳避之屡，臻远儆涎反癌灌方法潦 褥诗羹；辣妨黧莓将豫潼营嚣褫鸯毒多令囊螽赢鹃连续菜，爱乎稳蘧辍她鬟穆臻，势嚣黟 糯的随机振动淤柬求解，但愁熙能处理较为简单的结构：a d k i u r e g h i a n ( 丘里金) 搬 出；虽然随机搬溯法以其统计特性而很吸引人，它却不能被执业工程师接受为其分析方法； 灌骂竟进一步攒遗：虽然农琏摄激翳孛骧撬蛾惑势撰抟瑗谂整黎基经建立，禧是饕萁度磁 予逡震工程筹罨琵禳苓瑗实瓣，臻菲是对予嚣鸯步鼗鑫垂璇鹈支承魏薷肇嫡耩；嚣蓬逶冬 洙出现的虚拟激励法，作为种新的随机响成分析方法，使一宣被认为计觯上存在困难， 嚣目解决少墩瞄由度和支承的懒单结构的问题得到解决。 餐是，震酸漤洼轻醚爨爨动法在奉囊土耱燕笺注言法，瓣在莩逶遮蕊佟悉t ；襞稳掰 翡进a 高度 # 臻瞧麓受力获悉。藏蔓童采滔辩程劳静 基逑抒靛震分橱孵。 。2 + 2 多点搬入地震反波分妆在工程陂熙赙竞方蕊嬲蕊状 根据颈海概斜张橇在栉波作用下的地徽反应分析 i 。j ，对于飘浮体籁的斜张稀，豳 铲两个支承处的目# 同步激励。使动力反应部分减小甚多，臌霄拟静力反麟的摄加相位散 艘铸是有利熬。嶷万城针对赢瀵太撬癸橱行渡滋瘦，褥出秘臻海瞧稳避鲮雅爨”“。陈姥乎 魏强霉控饕楚震羧舞蕊诗雾辑褒罄窭蘩搿1 ；霉渡羧应馕缡镌蘑秀睫囊鼗蓑灞天；巍z m 野 a b d e l - - c h a f f a r 对斜拉轿进杼i 辇细分析之麟榭出的主要结论想1 1 q ：非一致y 檄励可能导数i 鲑 臆位移和构件力的显著增长，撒其是对刚腹较大的斜拉桥和场地差异较大悄摁。刘吉柱以 辽宁太洋嚣灸j ：爨营景，磅究鲮惑豪噬，惑予澈起了黠移强整较夫的反应，鸯露 嚣渡效皮 辩使蘩穗裁宓嗡庭矮蕊簸多# “。薅薅秘南熹汝汪夫褥南汉辩舞诗霎霹象，蕊诗冀行凌靛筑 时发现随着概波速的增大符响应均方锻脚幅值先是在低波速段振荡变化，随后在视波 燧太于2 0 0 0 3 0 0 0 m s - 1 以魁，迅速趋于平缓l i “。王f 尊对聚太溅渡槽在多点地震输入激搬 黪靛泰杰反壅避蠢了瀑a 舔箩罄” ，筵巢衰臻：蠡然浚大墅渡罐蔷赣窭蠡黪横趣餐蓦曩文壤 较藏爹逮震辍入激摄薅毒蔚减步，毽是各诤瓣缝箍棱两糖对辑角最夫覆帮薄i 蠢增夫，该夫 猁渡槽各输出点f i q 竖向位穆蠛大值和各伸缩缱的竖向相对拼内最大值普遍撇小。简单的零 渡槽结构多点地震输入的抗震分析 两个结果比较，可能得出相反的结论，说明采用 亍波法模拟地联运动，其结果对结构形式 耪檄渡速具有强大戆谈羧毪。薅慕瘸实涮纪录遴行分褥，具蠢爨强靛谥骚力。囊：王翦绩、 伍豳弱、李云林根攒1 9 7 5 年2 蜀1 5 日海城地震和1 9 7 8 年6 月9 嗣龙陵( 施匍台) 她震的记 录计算了拱式结构对地震多点输入的响应，其分析结果表明【l ”，由于拟静力反廊起重要作 用，雾点输入较一般地面运动输入可能给出大很多瞬结果。陈脬群、侯顺载、曩均以东江 双瀚撰壤匏实器穗震纪录捧为鑫懿场熬赣入，绘瘩撰寝结稳多患输入靛诗算绥鬃“”。 1 3 本文研究目的和内容 筒人对地震波多煮输入的研究，多应用予擀粱、夫埙、棱电站、隧道、警线系统等， 较少应用于渡槽。而且简单的拿两个多点输入研究结果比较，可能得出相反的结论，说明 采粥杼波法模拟地谢运动。其结果对结构形式和枧波速具有强大的依赖性，多点输入对结 构瓣彩嫡苓巍由璞论或经验来说嘲。这裁要求我嬲在嚣羲条簧下，要黠每一个王穗巽髂弱 遂其体分析，才能得到可靠结论。 渡槽是跨越河流、道路、山谷等的架空输水建筑物，是南水北调大型水利工程中的重 簧组成部分，仅南水j b 调中线工程的总干渠中，大型渡槽交叉结构就有数十座，因此，渡 擢绥擒静多点建震镄入撬震分褥意义重大。本文隰溜潺渡攘荛磺究黠象，蒸予多熹地震渡 输入进行抗震分析考虑行波效威，采用时程分析法，利用a n s y s 进行有限冗建模、加 载、衙处理。通过对比一致输入法和多点输入法( 非一致输入法) 的动力反应。得出多点 输入下沼河渡槽地震反应分析结襞，为渡槽结构工程设计提供有力支持。 彭零j 华已经对旗湾渡槽革跨横续梅( 分4 静工嚣：渡槽稽巍无永；渡稽三援有东；渡 槽中槽槽内过水：渡槽两边槽槽内过水) 的振动特性、抗震及减震效果进行了分析比较i i ”， 结果袭明渡槽结构程几种工况下的最大动位移与动虚力的分布情况基本相同，只是具体数 值鸯辑不同，渡槽内有永对鲍动健穆与动应力毙窝槽时均大，嚣逑攮有求拜重鲍1 漪嚣毙较复 杂+ 其谴眈串槽与三穗过隶时的簸都要夫一些。藤体面言，该结构多数帮证的勘应力帮动 位移值不大。其中结构动位移比鞍大的部位在渡槽上部的顶粱、拙杆以及边墙和中墙动 应力比较大的部位在纵梁和墙板上。 本文根据设计辩f l 提供的设计方案，在现鸯磺究成栗的基秘上，建立多跨模型，应雳 多点地震波输入输入方式，对犬跫渡槽进零亍多跨模壅多赢输入造震反应分析，研究采用多 跨模型和单跨模型之间的误差，和考虑行波效成多点输入下的地震反应。主要歼展了下述 工作： l ，采蘑空蔫粱肇元、扳轰元、震量单元等建立渡稽结构鳇l 簿模型彝3 跨攘鼙。 2 利用a p d l 语言编制了一敞地震波输入和雾点地震波输入程序，并应用予渡楷结捣 的动力分析。 3 分别计算一致地震波输入单跨模型、一致地震波输入三跨模型、多点地震波输入三 跨搂黧静动力反寝，采塌e l - - c e n t r o 渡，缓惫帮横囱输入。 4 分别在边底板、纵梁、拉杆、中底板、中墙板和边墙板选择6 个点( 编号为1 ，2 河北农业大学删：b 学位论文 3 ，4 ，5 6 ) + 以这六个点为铡，提取x ，y 。z 三向位移朝淑。f y ，f z ，m x ，m y ，m z 穴 个蠹力避露魄较，癸褥单踌模囊窝多跨模型、多煮输a 和一致辘a 下黪遮震爱瘟差黧，褥 鬻6 模型和行渡效应对地震反成的影响。 5 提出计簿方法及模型的局限性和需婺进一步解决的问题。 ( 1 ) 本文癍臻a n s y s 软 睾避行多点地鼹液输a 是应用太廉量法来藏烟舾速度戆，在大 演羹法中，大藏羹块羲囊鐾愚一个疆重要薛参羧，在每个陵麓凌静震羹箍熬个结璃蕙震鬣 的1 0 匕1 0 ”倍耐，计算的准确性能够满足。c 褪鬻求1 2 0 l 。 ( 2 ) 由予论文时间和篇幅限制。本文只列出三个方向的位移和6 个内力。没有列出转 麓和虚力、速震、掘速度等动力反痘，单在计嚣串考意。r 这楚因素。 ( 3 ) 鑫予计算瓿蠹存襄硬盘空窝蔽涮，本文更考痞3 跨模蘩，纛嚣实藩结擒浆 7 跨 模型。 ( 4 ) 本文是在洛河渡槽的基础上立题的，单跨跨度4 0 m ，相对于地耀波，特别是p 渡魏渡长，逐楚魄较枣的，为了羧夫多点输入的黪穗，熬考惑遮震渡输a 黠，波速蠢2 0 0 m t s 。 渡稽鳍掏多点地震输入的抗震分析 2 渡耩结构多点地震波输入的基本理论 2 。l 多点地震输入貔动力方程 溉震时，结构赢承随姥面运秘，络梅本身m u 不爨辨加的葫祷渡，器以角檬霹表承结构 中非支承节点的项，雌魏标6 袭示结构空承点的颁，则多点地震输入的动力方穰为2 l ： 瞄：础枢珧协黜枇： 稼越， 主式避考惠了主嚣雅梅鞫避蒺撵嚣俸受魏动力方簇，逮羹霹璐器露篷辩擞褒边器麓点 上游辩餐、矮量懿疆是嚣滟缀台髂系，这样可鞋考癔主一结梅德系鞠簋露瑁懿熏嚣溺豢， 而鼠大大减小了分橱计算工作量。其中m 是结构旗餐矩阵；e 髓精构阻尼矩降：k 鼹结构 拜瘦矩障 y 4 是结梅# 嶷承自由艘啤做移矢量；矿为支承自由麟的位移矢量。带上探。的 矮簿袭黎秘靠支承蠡自液宵关静簸薄：带上标b 豹矩辫表示霸支承爨蠹度寿曩靛麓辫 赘 上稼彩约斑薄袁承结梅鑫由凄写变承爨盘度藕静的楚藏。 器节点总位移由拟静力位移龟摄和动力相对位移向量之和构成，即y 和s ”。y 8 是拟 静力使穆，是由予褒愿焱承点上德烟黪给定位移夜i 萤点l 起的静位移，蔼s “是劝位移，是 垂予摄动产生瓣霹秘褒点糖嚣予嘏支承建翦建穆。 ，= 盼+ m ， 式每，y 4 裁楚妻承点楚绘出瓣y l 串懿缝震秘浆饶穆，y 8 嚣支承煮主瓣壤静力能穆， y “4 建非支承点上韵动力殷应。 设第f 个自由度的位移为y ；“。由y t “。= l 所引起的结构其他肖点处的拟静力位移向量 受f 2 j ，嘲蠢囊蠢支承绝鹩摆对遥渤 越静结稳擞静力谯移窝豢为： l 字 知”净喜铲舻= 酝“渺 净 7 7 l y ? ；p 移n ( 2 1 3 ) 式中r 为毽穆影睫瓣簿，宅戆行数毒y - 、稿鬻，酬数与圹籀鞭，它定义为遵建鏊串禁 自由寝移韵单位值时，谯结构上的不同岛由度上趼产生 | 位移德。 漤静龙聂藏酊鞋蠹式( 2 i 1 ) 瓣繁式令y ；。i v = y 。= o 袋褥为： 河北农业犬学硕士学位论文 y “；一k “一1 k y b ( 2 。1 霹， 且可得弼阻尼很小时，动力反应分量的表达式如下： d a出 r1 m 糊y + c 砌y + k 咖y 妇a i m 蝴k 册叫k 册一吖舯i j _ l( 2 1 5 ) lj 式( 2 。i 。5 ) 有一个秘驻敲饶熹是瑶戳粳蠢缭定支承蕊娃的妻瑟速窟避稷送行谤冀，嚣 不需知道位移和速度。这是徽方便的，因为寓际情况常常魑已知加速度过程，而速度和做 移过程并不知邋。 2 2 结季鼋渤力分橱的n e w m a r k 方法 在结构勘力分析中。a n s y s 程序使朋n e w m a r k 时间积分法，在离散的时间点上求解 这些方程，程f 。岔孵裁，系统囊力方耪式瓷： 时渺。) + 【c 】移。 十敝】( y 。 = 阢+ ( 2 2 1 ) 式中：j ，【c j ，k j 分别农示系统的质撼矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵； 涉j ，护 ，涉 分别表示加速发向量、速度向襞及位移向壤； 五“ 畿承撵震力矢蘩。 在n e w m a r k 方法，应满足下硎方程“： 阻抄。 + 【c 桫。) 十陋b 。 = 抚+ ，) 融。 = 溅+ l + f i a t 2 ；。 。 = 侈。+ a t y p 。 其中： 溉+ = y 。 + 址执 + a t 2 ( 1 2 艿) 移。 2 ( 2 2 2 ) 器。2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 ，5 ) 侈。 一侈。 + & ( 1 一y ) 侈。( 2 2 6 ) 式中，涉。 ，涉。 ，眵。；是气时翔的位移麓爨、速寝掏量秽加速度向量，拶，y 为i c e w m a r k 参数，控制方法的精度和稳定性，通常取拶= 0 2 5 ，y = 0 5 ：眵。l z + 是预估 篷，涉。嗣溉+ ， 是校正壤。 当给定翩始位移 y 。 藕柳始速度涉o 衙，可以扶下式求出扔始加速度扣。 。 瞳桫。) = 抗 一【c d 。) k 】c y 。)( 2 2 7 ) 然后将动力问题变成“静力等效问题”求解( 2 2 2 ) ( 2 2 6 ) 式。并结合n e w t o n r a p h s o n 方法求解，筌傣步骤强下： 1 预估值( f 为迭代计算变鬣) 6 渡榴结构多点地震输入的抗震分析 函嚣 = 溉。 ；扫。；+ & 兢 + 越2 ( 1 2 圆跣；，2 侈磐； = 瓴。 = 扫。 + & t l 一厂) 移。 扫：7 = ( ：? 。) 一铣。) ) ( 址2 艿) = 0 2 计簿残余力 妨档；= 抚+ ； 一【m j 0 - 。( o ；一犯l 竣1 一霹嚣y 嚣 k + b 瞳】，( 肚2 书) + y 【c 】，( 矗龉) + 医】 4 寐辩位移增量 f b 椰 = ) 5 修越位移、速度、加速度 辫 = 勰； + 砖讲 | ；搿；= f t r * n ”+ l ” 一溉+ b ( 黜2 万) j ，：奠” = 艘。+ f - 0 + l l ， 6 。魏栗洳 净梆；或二者之一不满足牧敛条传，隧令= ；十l 劳转到第二步，否剿继续 下去。 7 由在下一时间步内用，令： 扫忭+ ； 扫。 移。 = y 嬲， = 多辖” = j ；茹n 同时令h = n + l ，形成新的刚度矩阵k 】并开始下一时间步运爨。 2 3 大质量法 a n s y s 避震蛹斑分辑中热速度黠湾历程竣藏翔，霹鞋鸯如下三秘方洼： i 用a c e l 枯令指定结构静嬲速度历程，簌加速度方向约粜地基节点，这样得到的成 力计算结果是正确的，但位移计算结果是结构相对于地基的值。这个方法的好处是比较简 单，只需为每一荷载步指定时间和相应的加速度即可。 2 。将畦闻热逡度关系避 亍瑷分，镬其残恣辩闼整移关系，然惹藏女l 经移魇程载蔫。 嗣户可根据自己的需要、拥有的数据和方便性选翊合适的方法，可以首先棒一简化模型来 进行考察。 3 ，大质量法。在地基节点上附属很大的质量( 比如质量可以取结掏质量的l e 5 倍，利 爱a n s y s 鳇矮鬣攀元m a s s 2 1 ) 寒带羲结构数穗应。缝薹节点在激赫方囱不携约束。然 詹程质量单元上施加适当的力使地基产生所需加速度，如果质蛩为l e 5 ，则施加l e 5 的力将 7 f i f 北农业大学硕卜学位论文 产生单位加滤度。只需为每一荷载步指定| l 寸闻和相应肟力即可。此方法的优点是可以得到 维撞夔龚实壤瘦霞穆( 包攒了速基戆孚动) “。 本文在地震波多点输入对采用了大质懿法。大质量法是通过对质餐炬阵主对角元究丈 数的方法实现的，其数学袭达式和具体实臆方法均较简单，且可获得与相对运动法同样精 确的结果，邑被应用于很多方蕊胂“2 “。 考虑行浚效应，必颈簌舞支承点主溅攘菜个方是主冀窍强定耨建羞瓣趣速度，胃叛将 大质量块加程备支承点的自由度上，这样就可以通过调撩加在大质量块上的作用力大小来 实现在不同炎承点上施加不同加速度的目的。为了模拟与蜜际地震波相似的加速度图应 将这些施栩上去的作用力车受为外力，因此动宠方程式可以蕊戈“”： ：肘艺北悟剐淝： 由于少是可班任意满攘静，西藏哥墩通过梵法准臻模强大型多跨渡槽考虑 亍渡效斑 时在地震作用下的响应。在施加某方向地箴波时，必须释放各支承点在滚方向的约柬，即 释放该方向自由度，因此在计算结果中将出现刚体位移模式只要用结构某点位移减盅支 痉位移，鼯褥渡点验相对像移。在丈凄鬣法孛。丈质量块魄震量是一个缓霆要的参数，在 每个质耋块的震量是整个结构总质量躬l 扩l 舻倍对，计算舶准确性将褥捌保证。 2 4a n s y s 程序简介 a n s y s 有限元程序的成用范围相当广泛。可对结构、热、流体、电磁蹲多个领域的问 题进行分析。在不同领域内，每一个大的分析模块又包括许多小的分析模块，以适应对备 类问题进程分楫、计算。如攫结构领域。它龟括静力分凝和动力分辑，势力分撮包括线性 帮菲线性鼹犬部分，动力分辑包括模态、谮反应、瞬态动力秘谱分褥# o ”“l 。 它的基本分析步骤如f ： 1 建模：建立所分析问题的模型，这煅a n s y s 程序对问题进行分析、计算的基础针 对不同的惩鬏。可进行实髂建模，也可采耀模数建模，擞攒淘题鳇性璜遴簿选捧，建摸| ： 孽 原鲻是蔼单、裔效、且能菠淤实际问题静特征。 2 定义单元实常数和材料属性，划分网格：a n s y s 耩序为不同领域、类别的问题，撮 供了大量的单元，根据问题的不同需要选择合适的单元，定义材料的属性。进行网格划分， 蟋揍划分撬瓣驻戆特点窝诗箨要求麴耩度霹密可蘸。 3 。施加裁荷：载荷包搔约束、力、温度等一切作用，可在实体模型上施加载荷，也可 在有限元模型上施加载荷，转在实体模型上施加载荷，则柱求解过程中会自动转到相成的 节点上。 4 。闼嚣墩瓣：a n s y s 覆謦为不弱矮蠛逡趣遂豹求解，攥傲了多磅方潦。蠢霹绩梅黼惩 求解，线性解法有f r o n t a ls o l v e r ，s p a r s es o l v e r ，j a c o b ic o n jg r a d 等，非线性闯 g ) 、o。k，tm 抄 瞧 、，lrj 蛆 m 0 + m 村 ，0【 = 、lrj 口 y y ，r，【1tflj 酶帕 蔗岸 渡槽结构多点地震输入的抗震分析 题童臻是用n e w t o n r a p h s o n 方法，瞬态动力问题分析采用n e v a n a r k 方法，求解时可考虑材 精、死鹰等 线瞧溺素戆影璃。 5 观察结果：通过后处理器，可以查看结构的各种响应缓，如力、弯矩、位移等，并 可利用画图功能画出结果，如结构变形、应力曲线以及各种响成随时间变化的曲线。 本文蘑渡横缝掬镀瞬态分攒。瓣态动力学分辑( 亦稼拜阉滋程势辑) 是鲻予确定承受 任意的随时间变化蘅载的结构的动力学响应的一种方法。做抗髓分析。载荷魁随时间变化 的加速度，用载荷步文件来加载。 9 潜能农韭天攀疆士学位论交 3 1 建模依擐 3 渡槽结糍的数学模壁 溜溽渡横蹙藏承托调中线工稽中较大孵渡攘”5 ，经手海i e 嚣承筚矮，念长8 8 5 m ，槽鹰 擞6 8 0 m ，为简支结构，菸l ? 跨，单跨长4 0 m ，由糖身、糖嫩、支座簿部分组成，槽体惑 簿发2 7 m ，袭糯三横势联燮忒，分藏罄数蘩，藏簿耩粱、赢袄、渡横边臻援、申墙裁、琰 鬃、瑗帮投抒，渡攒熬竣 辛滚爨受4 0 0 菇s ，褴墩为热魏空薄隽磁僖，褴墩上帮宽度藩 2 8 。2 0 m ，槽墩底部宽度为3 5 o o m ，基础高程为6 0 2 5 m 。 本文鼍谯分橱渡槽结构苇簿攘篷与多跨模燮、建震波一致城入与多点辘 对绉捣韵力 嫡盛瀚黪璃。壤立了梁鬏挚嚣纂簿耩受，对其避帮籁彝帮潢韵致逮麓渡输入。爨子1 7 跨 模型单元数爨巨大，且为了探诞诗葬精壤：苓馁姆 十爨单元联熬过大，本文建立棚慝翻播躲 3 跨粱板单元渡槽模型分剐对箕纵向和横向德行地震渡的一敲输入和多点输入。槽墩岛 檬骞乏阕淹镀接。 3 2 单元类型 3 + 2 粱嚣 粱嚣采蠲嶷蠲粱单元，辫戳承受拉、臆、弯、援变黪，舔一攀髭节点霄六个叁出发， 势裂鸯肼弗g 方翔携经移秘稠瘦三卡瓣黪转角，霹竣凌空灏谨意方淘蠢鬣，愆蕊3 - 2 ， 。 粱裁嚣酉琶王慕瘸静静裁露，在零泼攒中均袋爆矩形截嚣。 3 2 。2 摄隽嚣 板舞元霹娃承爱薄膜变形姆鼹个方翔的弯曲变形，毁承爨平行板早蕊与纛宣板乎鹾 的荷载。单凭的姆一节点有穴个蠡虹赛，分别沟x ，y ，g 方向躲健移和绕x 。y ，g 亳由的三个 转惫，熟鎏3 - 2 - 2 。蓝类孽嚣疆馘瘫空润疑惑穷佼糍鐾。拳渡横中袋餍嚣零点罐形攀元， 褒穗墩中采孀靼苇藤矩形擎元秘兰蒂煮三角形摹嚣。 渡榭螭构多点地震输 的抗震分析 图3 - 2 - 【粱单元示意图 。 图3 - 2 - 2 阪潦元示意图 3 。3a n s y s 青隈元模墼 牌跨模型如图1 所示，为粱缀鞲元模型，1 2 5 6 个单元，9 7 4 个节点；三跨模型与单跨 模懋麓格密度摺嗣，共2 9 5 2 个孳元，2 4 4 3 卞萤点，如菡2 。渡糖横体酶穗睾毒为c 演凝， 密发2 5 0 0 连穗3 ，释淫摸曼3 2 ，5 g p a ，泊拴诧o ， 6 7 ：渡疆疆瑷酌耢瓣为c2 s 溺凝主；密痘 2 5 0 0k g m 3 ，弹性模擞2 8 0 g p a ，泪松比0 1 6 7 ：渡槽槽墩墩帽的材料为c4 0 混凝士，密度 2 5 0 0k g m 1 ，弹性模嚣3 2 5 g p a ，泊松比0 1 6 7 ：波废部分，密度为2 5 0 0k g m 3 ，弹性模量 3 8 6 g p a ，演捡毙0 3 5 2 t 。 人 口f 北农业大学硬士学位论文 翻3 - 3 t 渡横单跨模型 3 。4 程序的编制 图3 - 3 - 2 渡稽篡跨模型 地震是结构支座运动g l 起鳞毒每发生擐动的典型例子。在迭瑟栩遴度作用下，结构的运 动方程与， 藏鼗作用下的运动方程舆育楣固蛇形式，由她嚣加速度运动g l 起的遮攫力等予 大小相等方向棚反的等效动荷载以处蘅载的形式作用在结构上戢反应。事实上，地震扰动 的输入方向是不定的，因此是正是负无荚紧要1 。 本文用比例法修改b 卜c e n t r o 波，峰值调到7 发设防。地震波蟾入时步疑取0 0 2 s 。 3 4 。1 一致输入稷序 一致地震波输入时，每个支承点的地震动加速度值是相同的。因j 比只震定义一个数维， 用a c e l 命令将加速度盥接加在结构上。程序溅程幽见圈3 4 一l 。 爨孓垂l一数辁入滤摆鹫 渡榴黯枸多点地震输八的抗震分析 3 ，4 。2 多点地震输入程序 磐点输入地震波，每个支承点上的地震动加逋虑值是不周的，需定义四个数组，分别 为四个支座要施加的加速度，通过四个数组的时间麓考虑行波效应的影响。采用大质量法， a n s y s 模型中定义壤量单元，辫蕊褒地基苇点上，逶过在追墓帮纛主热力来穗女搬速度， 带韵缝梅静确褒。释藏藏热热速瘦方翔豹鑫出菠涮。在磊跫理辩，褥鲴豹该方翔彼移兔绝 对德穆，需要进行步数学计算得到我们需要的相对位移。程序流程图见图3 4 。2 。 雕知靠l多点箍天罐褪鬣 j 河北农业走举硎士学位论文 4 缀彝蟪霪渡 耋爨下舞逮震象座势耩 纵向地燃波搬撮动方向为缴向。对手渡糟榛型是跨度方趣。地震波辨踏发方向传播， 瓣撼凄妻彝每魏蕊渡搂疆穷鑫搂舞，毙浚巍黥浚 洼，纛蟪蠢孛蠡薮菠遮耱鸯赞酶趣 - 1 4 0 0 r a l s 5 = + ，零豫薮p 渡滚遗尚2 c o m s 。 为表述清晰商便，在计辣辅果数据表格中用单跨搬、三跨一致、笺膊多点来代巍 龄跨模型进行一敬地震波输入，瓣三跨模型避姆一致地震波蟪八、对三辨横粼潍霞多点媳 震浚壤天；蘧避澈竣革簿一鼗鼙三跨一致羲蟪蒺囊焘；努羲慕耀摹簿禳羹每兰薄搂壅饕穗 嫩葳痘羲彩璃；擞过诧较三跨黢与三跨多意的反应，分耩热震波输入窬式瀚影嫡，本文 辫点输入仅考雠形波效应的黪晌。 4 。l 蓠篦躐淹整蓼溆 如表4 1 黼承，六个关糕点的纵商位秽燎爨致表明，薯游模型位秽澍嚣太子单跨麟 燮，一襞赣a 篷器丈予多煮辕入。蘑鼙吾鸯，慕漆三跨搂燮装蘩祷爨舞襞穆磺夫，毒露嚣 漩效瘫多煮输入缴巍遮曩，穗臻籀褥箨毅薅蕊移藏小。六个荚键煮孛，3 蕊躺垃移最大， 点踌模型较单蹿檬裂位移增加7 2 3 5 ，多点输八较一致输 。位移减小8 4 4 3 ，时程分析 撼炼4 1 i 4 1 2 积毛1 3 。 袭4 缄翔逮袭泼伴灞下飘商证秽淑 位移节点母硒输入方式时间( s )幅值( m ) 单跨一熬s 0 0辟4 9 2 2 e _ 0 2 l 蔗3 跨一载、5 4 氇8 辩3 e - 。2 3 薄骞煮 2 ，嚣 臻1 3 l 篷一露 攀薄一戴耋端0 + 4 9 0 7 e - 0 2 2 麻3 跨一致 9 40 8 6 7 1 e 一0 2 3 跨多点 2 2 8 0 ，1 3 8 8 e - 0 2 单跨一敷 & 0 0 0 + s 甜6 e - 0 2 囊3 踌一致9 5 4 吨? 3 i 罨x 3 鹜多蒜曩祷文 s 嚣一程 单耩一蕊 5 0 罾4 4 e - 0 2 4 戚3 跨一绒9 5 4m o 8 7 2 3 e - 0 2 3 跨多蔗2 ，2 80 。1 2 7 1 e 一0 2 单跨一致5 馥髓5 i e 一娆 蕊3 踌一鼗 莹释 墙，7 2 7 - 0 2 3 跨多点 2 ，驾毽l 麓茬_ 露： 荦跨一避 s 0 0觏1 5 9 e - 0 2 b 感3 跨一拽 9 4 0 8 5 6 5 e 一0 2 3 跨多蔗2 2 60 t 4 8 i