基于SAP2000与ANSYS建模方法的工程抗震应用

　　　IndustrialConstructionVol.40,Supplement,2010　　　工业建筑　2010年第40卷增刊基于SAP2000与ANSYS建模方法的工程抗震应用赵晓西1,2　徐松林1　胡良明2　王宗敏2　李永池1(1中国科学技术大学工程科学学院,合肥　230026;2郑州大学环境与水利学院,郑州　450001)摘　要:讨论了ANSYS子模型技术,以尝试对传统结构有限元分析的建模方法进行突破。利用SAP2000软件包中数值分析方法在结构动力计算中的优势,以某进水塔步行桥为例进行模态分析,对建立地震现场建筑物安全鉴定辅助决策系统提供重要的支持信息。关键词:ANSYS;工程抗震;SAP2000;有限元法STUDYONENGINEERINGSEISMICDESIGNBASEDONSAP2000ANDANSYSMODELINGZhaoXiaoxi1,2　XuSonglin1　HuLiangming2　WangZongmin2　LiYongchi1(1.SchoolofEngineeringScience,UniversityofScienceandTechnologyofChinaHefei230026,China)2.SchoolofWaterConservancyandEnvironmentEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)Abstract:ItisdiscussedthesubmodeltechnologybyANSYStomakeabreakthroughatthetraditionalfiniteelementanalysismethod.TheadvantagesofSAP2000softwareareusedforspacestructuredynamiccalculation.Takingthefootbridgeofhighintaketowerforexample,thefiniteelementmodeanalysisiscarriedoutinordertosupplyimportantinformationforintelligentaidedsystemforsafetyassessmentofbuildingsonthesiteofearthquake.Keywords:ANSYS;seismicdesignofproject;SAP2000;finiteelementmethod第一作者:赵晓西,女,1972年出生,博士研究生,讲师。E-mail:[e-mail]收稿日期:2010-04-01　　我国不但是个多地震的国家,而且还是个遭受地震灾害严重的国家。南水北调工程是当今世界上最大的远距离、跨流域、跨省市调水工程,做好工程抗震设计是确保工程抗震设防质量的关键。目前结构抗震计算都是在计算机上进行的,其计算结果的正确与否不仅与所使用的软件有关,而且还与结构简化模型和输入的数据有关。任何一种软件都有其适用范围和局限性,在有限元方法中,结构在动荷载作用下的动态应力计算是一个没能圆满解决的问题。本文利用SAP2000软件包中数值分析方法在在结构动力计算中的优势,再利用ANSYS强大的子结构与子模型分析能力对大型建筑结构进行工程抗震设计[1-2]。1　建模分析[3]结构分析的精度与计算效率在很大程度上取决于有限元模型的建立。即有限元网格剖分的状况直接决定着描述实际结构物理模型的精度,进而影响到解答的准确性。因为高进水塔(如图1)体型复杂,材料种类较多,作用在结构不同部位的荷载形式各异,所以地震响应分析在条件允许下应尽量采用动力法。图1　对称模型塔体有限元网格剖分图3342　子模型分析技术[4]子模型是ANSYS程序中一种功能,通常用来在原模型基础上获取更为精确结果的一种方法,即从已分析的模型上截取部分区域,对该区域的网格进行细划后进行二次应力分析,从而得到更为精确的结果。在对全模型完成了分析并明显看到在某些区域其结果不够细致时,可使用子模型。3　模态分析[5]根据进水塔工程处理的要求和有限元程序本身的限制,设在278m高程的操纵室和连接通往大坝的交通桥均简化为分别作用在高程278m平台和牛腿上的荷载。本文以某悬索步行桥(图2、图3、图4)为例,利用SAP2000软件包中数值分析方法在在结构动力计算中的优势进行了模态分析。SAP2000是一个优秀的空间有限元分析与设计软件。在世界范围内,经过了30多年的实际结构的空间分析与设计的考验,其分析结果的精确性充分得到了认可。　　在动力荷载作用下,结构振动在设计上有必要进行限制,该步行桥人和桥产生了共振。在有限元方法中,结构在动荷载作用下的动态应力计算是一个没能圆满解决的问题,常规有限元法中的单元内部应力是通过对多项式形函数的求导得到的,这样必然会降低动应力的计算精度。寻求提高结构动应力分析精度的方法一直是人们感兴趣的研究课题。悬索步行桥全长320m,其中主跨144m,桥宽4m。主缆为每侧4根直径120mm的封闭钢丝绳,外表面涂防腐油漆。主缆呈空间索形,中跨的主缆中心距在10～13.4m之间变化。根据设计提供的数据,主缆承受恒载内力19.2MN,中跨活载内力23.0MN,南岸边跨活载内力21.2MN。主缆桥墩和锚碇及其基础均采用钢筋混凝土结构,主梁由横梁、纵梁和桥面金属板构成,桥面栏杆显得轻巧、单薄。a-正面图;b-平面图;c-中跨横截面图图2　悬索钢缆步行桥模型1-慢步(1.67Hz);2-研讨会步(2.37Hz);3-正常步(2.00Hz);4-快步(3.13Hz)图3　步行运动典型垂直力特征曲线4　辅助决策系统的建立[6]辅助决策系统(aideddecisionsystem)是辅助决策者通过数据,模型和知识以人机交互方式进行a,c-立视图;b,d-顶视图图4　耦合水平扭转震动模态决策的计算机应用系统。已经渗透到工程学中的几乎所有领域,使工程中过去只能依靠人的经验主观335判断解决的问题找到了使其科学化、定量化、标准化的有效途径。在我国,进行地震现场安全鉴定工作的专家都是既有扎实的工程理论知识,而且还得具有丰富的地震现场工作的经验,要培养一个优秀专家需要很长时间,同时也不可多得。由于地震是小概率事件,同时我国的经济状况来看,又不大可能像美国等发达国家那样,投入大量经费训练数千名专业技术人员来进行该项工作,但我国是遭受地震灾害最严重的国家之一。基于这样的矛盾,建立一套实用的地震现场建筑物安全性鉴定系统,使执行地震现场房屋安全性鉴定任务的评估人员和当地政府所派遣的一般土木工程技术人员,分享到该领域专家的知识和经验,能在短时间内掌握对地震现场实现快速建筑物安全鉴定的有效方法,提高鉴定工作效率和鉴定结果可靠性显然具有重要的现实意义。地震现场建筑物安全鉴定辅助决策系统是根据国家标准,并结合当前地震现场建筑物安全性鉴定成熟技术建立的一套实用的地震现场建筑物安全性鉴定系统,用于地震现场房屋建筑的快速安全性鉴定如图5所示。图5　系统的功能结构　　业务流程:1)支持用户可视化的方式建立评估模型并将模型存储到评估模型库中;2)支持用户用各种方式(笔记本、台式机)从各种来源采集数据;3)支持用户根据需要评估的建筑类型和用途选择对应的评估模型进行模型计算;4)支持用户利用各种方式(图表,表格,地图,WORD文件)对评估结果进行输出。5　结　语本文尝试对传统结构的有限元分析的建模方法进行突破,根据复杂结构的特点和动荷载作用下的动态应力计算,将ANSYS子模型分析技术应用于特殊区域的网格细划,进行二次应力分析,从而得到更为精确的结果。利用SAP2000软件包中数值分析方法在结构动力计算中的优势,对大型建筑结构进行模型设计和模态分析,建立地震现场建筑物安全鉴定辅助决策系统,是一项具有良好应用前景的技术。参考文献[1]徐建国.大型渡槽结构抗震分析方法及其应用[D].大连:大连理工大学,2005.[2]SL230-97　水工建筑物抗震设计规范[S].[3]赵晓西,王宗敏,朱太山,等.ANSYS软件在高进水塔静动力分析中的应用[J].水力发电,2005(3):71-73.[4]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,2000.[5]Huangminghui,DavidPThambiratnam,NimalJPer-era.DynamicPerformanceofSlenderSuspensionFootbridgesUnderEccentricWalkingDynamicLoads[J].JournalofSoundandVibration,2007,303(5):239-254.[6]王东明.地震现场建筑物安全鉴定智能辅助系统[D].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,2003.(上接第347页)房的屋面适当加厚保温材料,外墙面根据计算结果和个别核岛厂房特点(如防火要求,层高限制等)在相应的标高增加保温层。本文分析结果可为CPR1000核岛厂房结构在类似寒冷气候条件下的适应性分析提供参考。参考文献[1]GB50267-97　核电厂抗震设计规范[S][2]GB50010-2002　混凝土结构设计规范[S].[3]EJ/T925-95　压水堆核电厂核安全有关的混凝土结构设计规范[S].[4]HFEN1992-1-1　欧洲混凝土规范[S][5]ETC-C　EPRTECHNICALCODEFORCIVILWORKS[S].[6]王铁梦.工程裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.336