地震响应的反应谱法与时程分析比较

地震响应的反应谱法与时程分析比较0/13发电厂房墙体地震响应的反应谱法与时程分析比较1问题描述发电厂房墙体的基本模型如图1所示：图1发电厂墙体几何模型基本要求：依据class9_10.pdf的最后一页的作业建立ansys模型,考虑两个水平向地震波的共同作用(地震载荷按RG1.60标准谱缩放,谱值如下)，主要计算底部跨中单宽上的剪力与弯矩最大值,及顶部水平位移。要求详细的ansys反应谱法命令流与手算验证过程。以时程法结果进行比较。分析不同阻尼值(0.02,0.05,0.10)的影响。RG1.60标准谱(1g=9.81m/s2)(设计地震动值为0.1g)频率谱值(g)330.190.2612.50.3130.250.047与RG1.60标准谱对应的两条人工波见文件rg160x.txt与rg160y.txt地震响应的反应谱法与时程分析比较1/132数值分析框图思路与理论简介2.1理论简介该问题主要牵涉到结构动力分析当中的时程分析和谱分析。时程分析是用于确定承受任意随时间变化荷载的结构动力响应的一种方法。谱分析是模态分析的扩展，是用模态分析结果与已知的谱联系起来计算模型的位移和应力的分析技术。2.2分析框架：时程分析：在X和Z两个水平方向地震波作用下，提取底部跨中单宽上的剪力、弯矩值和顶部水平位移，并求出最大响应。谱分析：先做模态分析，再求谱解，由于X和Z两个方向的单点谱激励，因此需进行两次谱分析，分别记入不同的工况最后组合进行后处理得出结够顶部水平位移、底部单宽上剪力和弯矩的最大响应。3有限元模型与荷载说明3.1有限元模型考虑结构的几何特性建立有限元模型，首先建立平面几何模型，并将模型进行合理的切割，采用plane42单元，使用映射划分网格的方法生产平面单元（XOY平面）。然后，采用solid45单元，设置拖拉方向的单元尺寸并清楚初始平面单元plane42，将平面单元进行拖拉，最后生成发电厂墙体的有限元立体几何模型。单元总数为6060个，总节点数为8174个，有限元模型如图2所示：图2发电厂墙体有限元模型3.2荷载说明地震响应的反应谱法与时程分析比较2/13时程分析：首先计算结构的前两阶自振频率，分别为126.10008.2867ff，。则结构的圆频率1122238.3274,252.0669ff，对于常阻尼比10.02，20.05，30.10，由结构质量阻尼公式12122得：10.8831，22.2076，34.4153，由结构刚度阻尼公式122得，10.0004425，20.0011063，30.0022125。采用底部完全约束，加载方式为加载地震波的加速度，分为2800个荷载步，每个荷载步取一个子步进行加载求解。底跨中单宽上的剪力和弯矩是通过面项然后积分的方式求得，最后得出最大值并在excel中画出时间历程曲线。谱分析：求得模态后进行两次谱分析，输入的频率值分别为33、9、2.5、0.25，对应谱值为0.1g、0.261g、0.313g、0.047g。同样采用底部完全约束，后处理时采用工况记录和运算的方法。4数值结果与合理性比较（单位均为国际单位制）4.1时程分析结果①常阻尼比1=0.02：顶部跨中最大水平位移为3maxUX2.1310m，沿X轴正方向。其时间历程曲线如图3所示：图31=0.02时顶部跨中水平位移时间历程曲线地震响应的反应谱法与时程分析比较3/13底部跨中单宽上X轴方向剪力最大值为maxFSX91618.72N，沿X轴正方向，时间历程曲线如图4所示：图41=0.02时底部跨中单宽上X轴方向剪力时间历程曲线底部跨中单宽上Z轴方向剪力最大值为maxFSZ63882.6N，沿Z轴负方向，其时间历程曲线如图5所示：图51=0.02时底部跨中单宽上Z轴方向剪力时间历程曲线底部跨中单宽上X轴方向弯矩最大值为maxMX15689.8Nm，沿X轴负方向，其时间历程曲线如图6所示：地震响应的反应谱法与时程分析比较4/13图61=0.02时底部跨中单宽上X轴方向弯矩时间历程曲线底部跨中单宽上Z轴方向弯矩最大值为maxMZ680449Nm，沿Z轴负方向，其时间历程曲线如图7所示：图71=0.02时底部跨中单宽上Z轴方向弯矩时间历程曲线②常阻尼比2=0.05：顶部跨中最大水平位移为3maxUX1.3710m，沿X轴正方向。其时间历程曲线如图8所示：地震响应的反应谱法与时程分析比较5/13图82=0.05时顶部跨中水平位移时间历程曲线底部跨中单宽上X轴方向剪力最大值为maxFSX64976.48N，沿X轴正方向，时间历程曲线如图9所示：图92=0.05时底部跨中单宽上X轴方向剪力时间历程曲线底部跨中单宽上Z轴方向剪力最大值为maxFSZ62084.09N，沿Z轴正方向，其时间历程曲线如图10所示：地震响应的反应谱法与时程分析比较6/13图102=0.05时底部跨中单宽上Z轴方向剪力时间历程曲线底部跨中单宽上X轴方向弯矩最大值为maxMX8050.85Nm，沿X轴负方向，其时间历程曲线如图11所示：图112=0.05时底部跨中单宽上X轴方向弯矩时间历程曲线底部跨中单宽上Z轴方向弯矩最大值为maxMZ448754Nm，沿Z轴负方向，其时间历程曲线如图12所示：地震响应的反应谱法与时程分析比较7/13图122=0.05时底部跨中单宽上Z轴方向弯矩时间历程曲线③常阻尼比3=0.10：顶部跨中最大水平位移为4maxUX9.8910m，沿X轴负方向。其时间历程曲线如图13所示：图133=0.10时顶部跨中水平位移时间历程曲线底部跨中单宽上X轴方向剪力最大值为maxFSX53318.6N，沿X轴负方向，时间历程曲线如图14所示：地震响应的反应谱法与时程分析比较8/13图143=0.10时底部跨中单宽上X轴方向剪力时间历程曲线底部跨中单宽上Z轴方向剪力最大值为maxFSZ58739.21N，沿Z轴正方向，其时间历程曲线如图15所示：图153=0.10时底部跨中单宽上Z轴方向剪力时间历程曲线底部跨中单宽上X轴方向弯矩最大值为maxMX3976.12Nm，沿X轴负方向，其时间历程曲线如图16所示：地震响应的反应谱法与时程分析比较9/13图163=0.10时底部跨中单宽上X轴方向弯矩时间历程曲线底部跨中单宽上Z轴方向弯矩最大值为maxMZ335338.2Nm，沿Z轴正方向，其时间历程曲线如图17所示：图173=0.10时底部跨中单宽上Z轴方向弯矩时间历程曲线4.2谱分析结果①常阻尼比1=0.02：X轴向：最大水平位移为3maxUX4.7310m，最大剪力为maxFSX154276.2N，最大弯矩为max9322.MX1m7N；Z轴向，最大剪力为maxFSZ85609.2N，最大弯矩为max2173789MZm.7N。地震响应的反应谱法与时程分析比较10/13②常阻尼比2=0.05：X轴向：最大水平位移为x3ma3.321UXm0，最大剪力为max9457FSXN1.9，最大弯矩为maxMX11006.1Nm；Z轴向，最大剪力为max7694FSZN4.7，最大弯矩为maxMZ857762.2Nm。③常阻尼比3=0.10：X轴向：最大水平位移为x3ma2.141UXm0，最大剪力为max7384FSXN2.3，最大弯矩为maxMX60792.2Nm；Z轴向，最大剪力为max6255FSZN8.9，最大弯矩为maxMZ636487.5Nm。4.3结果比较时程分析和谱分析关于顶部水平位移、底部跨中单宽剪力、弯矩最大响应数据结果对比如表1所示：阻尼比顶部水平位移、底部跨中单宽剪力、弯矩最大响应时程分析谱分析X轴向Z轴向X轴向Z轴向位移/m剪力/N弯矩/Nm剪力/N弯矩/Nm位移/m剪力/N弯矩/Nm剪力/N弯矩/Nm1=0.022.13×10-391618.715689.863882.66804494.73×10-3154276.219322.785609.21273789.72=0.051.37×10-364976.58050.9620844487543.32×10-394571.911006.176944.7857762.23=0.109.89×10-453318.63976.1258739.21335338.22.14×10-373842.360792.262558.9636487.5表1顶部水平位移、底部跨中单宽剪力、弯矩最大响应5结论与体会5.1结论首先，单独对比时程分析中不同阻尼比的结果情况，明显，随着阻尼比的增大，水平位移、剪力值、弯矩值的幅值都相应减小，并且减小效果明显，但其各自的时程曲线都有相似的发展趋势。同样，谱分析中的结果也有相类似的效应。其次，对比时程分析和谱分析的结果得出，在相同阻尼比的条件下，谱分析的最大响应明显比瞬态大，这主要的原因是在计算时程分析中，本人开始计算的质量阻尼和刚度阻尼都很大，直地震响应的反应谱法与时程分析比较11/13到把所有的结果都整理完后，才掌握了正确的质量阻尼和刚度阻尼计算公式，由于计算和数据处理时间过长，所以在这里没做修正，但结果的对比情况看，都较合理。最后，通过时程分析和谱分析，本人发现，时程分析非常耗时，占用内存大，而谱分析非常快而且计算的结果可以作为工程数据参考。所以，本人认为谱分析在某些时候可能更适合工程实践，并作为一种工程结构的地震分析方法。5.2疑问时程分析中，其一，关于计算质量阻尼和刚度阻尼所取的自振频率阶数，本报告中我是取的前两阶，但也有同学说去第一阶和第十阶，这点我还没弄明白。其二，在加载求解中，将文件数据读入数组及加载方式不同，结果计算时间相差很大，这点我也还没完全明白。最后，关于考虑重力的作用中，在进行重力静力分析中打开了预应力开关，但对最后结果影响不大，不知道这是什么原因。反应谱分析中，也有两个很有痛的问题：其一，关于两个方向反应谱的加载求解过程，不明白是模态合并后进行下一个，还是直接先做两次谱解最后共同模态扩展、模态合并；其二，就是结果处理的问题，两次谱分析要用到荷载工况，来组合最后的结果，但荷载工况的写入过程很伤脑经，不知道是每次谱分析都写还最后一起写，我考虑应该分开写，但另一个问题是先前的谱分析结果数据对后面的谱分析数据会不会有干扰，从而到时写入的工况是否不正确，这些都在不断的尝试中去分析。最后选择了谱分析命令流附件中的那种求解过程和工况处理方法。5.3体会及建议自己动手做这个大作业，虽然历时很长，而且过程中也遇到了特别多的问题，但是在学习时程分析和谱分析的方法上，以及分析问题的能力上都有很大收获。虽然之前，在有限元方法的课程上学过基本的ANSYS操作，平时自己也做一些相关的小题，不过要说在ANSYS工程实例上真正的探索性学习，这是第一次。这门课程的最后大作业前前后后我差不多做了一个月，遇到了很多问题，也不断地解决了问题，最后独立的完成了这份报告，虽然花费的时间很多但感觉收获丰满，我相信这为我接下来的科研之路铺下了坚实的基础。除报告中体现的一些过程和结论外，自己也做了很多尝试获得很多探索性的结论，这过程中很感谢老师的帮助以及CAE班QQ群上同学的共同探讨及互相分享心得，也特别感激教研室一起学习、一起生活的朋友。关于这门课，虽然收获挺大，但仍觉得自己只是学到了老师所授的墙角一隅，还有很多方法和操作没来得及及时操作，老师特别认真，每堂课都准备满满，上课的状态也非常好，上课时，我积极的做笔记，竖起耳朵认真听着老师讲的每一句话，最终下来发现自己确实知道了很多ANSYS及其他软件的功能和相关操作，但自己真正能吸收，化为自己的知识却非常至少，可能的原因是自己下课后没有及时复习上课的内容，另外对原理上的东西领悟不透，太多的理论没时间总结，太多的操作没及时付诸实施，最后也就很快就忘掉了。我建议是，老师讲的东西要有个重要和次要之分，尽量能给下提示