基于ansys的框架结构地震反应分析

基于ansys的框架结构地震反应分析

0隔震装置设计基础振动是一种有效的被动控制方法。在上部结构和基础之间设置绝缘装置，延长结构的自振周期，并减少地震能量对上部结构的输入，以减少上部结构的地震反应。基础隔震使结构从传统抗震结构的“放大晃动型”变为隔震结构的“整体平动型”。上部结构加速度、速度和层间相对位移显著减小。隔震结构减震效果和经济性取决于隔震装置性能,因此,多年以来,许多学者花费了相当的精力来研究和开发各种高效的控制装置。隔震装置设计应满足以下要求:(1)能稳定支承上部结构;(2)水平刚度适中,能延长结构自振周期;(3)能适应隔震层的相对位移;(4)便于更换,符合耐久性要求。常用的隔震支座有叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座等。橡胶支座性能稳定,耐久性好,应用广泛。但橡胶支座竖向承载力较低,耗能能力有限。后来,相继开发出多种高性能隔震支座,如高阻尼橡胶支座、摩擦滑移型支座、球型支座、高承载力多向转动支座和摩擦滑摆隔震系统等。隔震结构位移集中于隔震层,为限制位移过大,通常将橡胶支座与阻尼器结合使用,以达到减小上部结构地震反应和减小隔震层层间位移的目的。本文采用ANSYS软件,模拟分析了粘滞耗能基础隔震结构地震反应,对比了减震效果。1u3000地震反应能量单自由度耗能体系的运动方程为:mx¨+Cx˙+fs+fd=−mx¨g(1)mx¨+Cx˙+fs+fd=-mx¨g(1)式中m——体系质量;C——结构的粘滞阻尼系数;fs——结构的形变恢复力,fs=f(x,x˙)fs=f(x,x˙);fd——耗能减震器的控制力;x¨x¨,x˙x˙,x——质点相对于地面的加速度、速度和位移;x¨x¨g——地面运动加速度。在方程(1)的两边同时乘以x˙x˙,并在地震持续时间[0,t]上进行积分,得到以下能量方程:∫0tmx¨x˙dt+∫0tCx˙x˙dt+∫0tfsx˙dt+∫0tfdx˙dt=−∫0tmx¨gx˙dt(2)∫0tmx¨x˙dt+∫0tCx˙x˙dt+∫0tfsx˙dt+∫0tfdx˙dt=-∫0tmx¨gx˙dt(2)式(2)简写为:Ein=Ev+EC+ES+ED(3)式中Ein——相对输入能量,Ein=−∫0tmx¨gx˙dtEin=-∫0tmx¨gx˙dt;Ev——相对动能,EV=∫0tmx¨x˙dtEV=∫0tmx¨x˙dt;EC——粘滞阻尼耗能,EC=∫0tCx˙x˙dtEC=∫0tCx˙x˙dt;ES——变形能,ES=∫0tfsx˙dt=EK+EHES=∫0tfsx˙dt=EΚ+EΗ;EK——弹性应变能;EH——滞回耗能;ED——耗能减震器耗能,ED=∫0tfdx˙dtED=∫0tfdx˙dt。式(3)可写为:Ein=ER+EC+EH+ED(4)式中ER为结构物地震反应的能量,即结构物振动的动能和势能,ER=EV+EK。对于消能减震结构,EC可忽略不计(一般不超过5%),消能装置率先进入消能工作状态,充分发挥消能作用,大量消耗输入结构的地震能量(ED→Ein)。这样,既保护主体结构免遭破坏(EH→0),又迅速地衰减结构的地震反应(ER→0),确保结构在地震中的安全。2结构自振周期某5层3跨钢筋混凝土框架结构,跨度分别为6.0m,7.5m和6.0m,层高为4.8m。柱截面为500mm×500mm,框架梁截面为300mm×600mm,楼板厚100mm,楼面活荷载2.0kN/m2。混凝土强度等级为C30,II类场地土,特征周期0.40s。结构总质量为3.4×105kg,通过基础隔震延长结构第一自振周期目标为3.0s,将隔震层上部结构近似为单质点,隔震层支座装置总水平刚度为:K=m(2πT)2(5)Κ=m(2πΤ)2(5)每个柱下隔震装置水平刚度取k=3.4×105N/m。隔震和非隔震结构前5阶自振周期见表1。隔震结构阻尼比取0.25,粘滞阻尼器阻尼系数为:C=2ω1ξM(6)阻尼力为:Fd=C|V|αsign(Vc)(7)共4个阻尼器,每个阻尼器取c=1.0×105N·s/m,速度指数α取1.0,为线形阻尼。梁、柱选择三维弹性梁单元BEAM4,隔震装置选择弹簧—阻尼器单元COMBIN14,结构模型如图1所示。3不同地震波激励的隔震结构本文计算了在ElCentro波、Taft波和上海人工波SHW1作用下结构的地震反应。地震波加速度峰值(PGA)取35gal,100gal和200gal(分别对应于上海地区7度多遇烈度、设防烈度和罕遇烈度时地面运动加速度峰值)。图2为PGA=200gal时,在ElCentro波激励下,非隔震、隔震和耗能隔震结构楼层位移包络图,顶层位移(相对于地面)最大值分别为94.6mm,147.1mm和72.6mm。可以看出,隔震结构相对于地面位移增大,但楼层位移集中于隔震层,隔震层加设阻尼器后,隔震层位移减小约50%。图3和图4分别为1层层间位移时程曲线和各层间位移包络图(PGA=200gal,ElCentro波)。非隔震、隔震和耗能隔震3种工况下,1层层间位移最大值分别为20.4mm,5.1mm和3.3mm,相对于非隔震结构,隔震结构层间位移显著减小,加设阻尼器比不加阻尼器时减小约35%。图5表示不同加速度峰值、不同地震波作用下结构层间位移包络图。当PGA=200gal时,各地震波激励下层间位移见表2。不同地震波激励下,结构地震反应不同,SHW1为Ⅳ类场地地震波,卓越周期约为1.0s,因此,隔震结构反应较ElCentro和Taft波为大。但在各地震波作用下,相对于非隔震结构,隔震结构层间位移显著减小,且加设阻尼器后,隔震层位移显著减小,上部结构底部楼层层间位移有所减小,往上部则效果减弱。隔震支座和粘滞阻尼器组合使用后,减少了地震能量向上部结构输入,结构体系变形集中于隔震层,粘滞阻尼器发挥耗能作用。在PGA=200gal,ElCentro波激励下,地震输入能量和阻尼器耗能如图6所示,阻尼器耗能约占输入能量60%。阻尼器出力和位移曲线如图7所示,滞回曲线包围面积,即为耗散能量大小。4施工技术及热分析通过对一个5层钢筋混凝土框架结构的地震反应时程分析,对比分析了基础固定、隔震和耗能隔震结构的位移反应和减震效果,可以得出如下结论。(1)利用通用有限元软件ANSYS可以建立隔震和耗能减震结构分析模型,速度相关型阻尼器只能考虑线性阻尼(速度指数α=1.0),不能考虑非线性粘滞阻尼。(2)基础隔震