框架結構在爆破時程下的ANSYS位移響應分析

1、框架結構在爆破時程下的 ANSYS 位移響應分析【摘 要】隨著城市交通事業(yè)的迅速發(fā)展，大量地鐵、 隧道的開挖爆破不可避免的對地面的建筑物造成損害，注意 到爆破振動破壞效應不僅與地表面振動強度參數(shù)有關（速 度、加速度和位移） ，同時與爆破地震波頻率及持時有較大 的相關性， 爆破振動破壞效應是結構體動態(tài)破壞問題，其 對結構體的破壞應作為一個動力響應過程來分析，基于以上 問題，借助有限元軟件 ANSYS 對在爆破地震波作用下的框 架結構進行動力時程分析， 并與天然地震波 EI 波下的動力響 應進行比較得出相應的結論?！娟P鍵詞】城市隧道；爆破振動； ANSYS ；框架結構； 時程分析Time hist

2、ory analysis of frame structure subjected to blasting seismic wavesJang Shan-shan 1， Wang Wei 2，Chen Ji-cun 2，Yang Ya-kun 3（ 1.Dong Lu ， Shandong Institute of Architectural Design Co.， Ltd. Weihai Shandong 264200 ；2. Architectural Design Co. ， Ltd. Weihai Kai was Weihai Shandong 264200；3. Zhengzhou

3、Coal Corporation Zhengzhou Henan 452477 ）【 Abstract 】With the rapid development of urban transport ， the vast blasting of subway and tunnel inevitable make damage to the structures above the ground， notice that the effect of blasting vibration is not only related to the strength parameters of the gr

4、ound surface vibration ， but also related to the frequency and the duration of the blasting vibration wave ， the effect of the blasting vibration is a dynamic process ， it should be researched as a dynamic response. Based on the above question， a time-history numerical analysis of a frame structure

5、subjected to blasting seismic excitation is set up through the ANSYS program. At last ， the obtained dynamic response is compared with its counterpart of EI seismic wave.【Key words 】 City tunnel ；Blasting vibration ； ANSYS ； Frame structure； Time-history analysis1. 前言（1）城市地下工程在很大程度上是以城市地鐵這種解 決城市交通為目

6、的項目存在和發(fā)展起來的， 如日本東京地 鐵、德國黑蘭地鐵、英國倫敦地鐵等就是世界主要也是較為 出名的城市地下工程， 我國的地鐵主要以廣州、上海、天 津和北京為代表， 這幾年來， 各大中城市， 如南京、沈 陽、深圳、重慶和西安等也相繼在建或將建城市地鐵項目， 可以說這一現(xiàn)象方興未艾， 因為它能有效緩解城市擁擠甚 至是癱瘓的交通。近幾年來， 城市地鐵的相繼修建， 各行 業(yè)對地下空間的相繼開發(fā)， 必然存在重復開挖的現(xiàn)象， 對 地面的干擾較大， 影響城市地面人們的生活。圖 1 雙線性等向硬化模型中應力應變曲線（2）爆破震動造成的破壞則是城市地下空間發(fā)展中無 法避免的公害，隧道地鐵的開挖都會伴隨著爆破震

7、動，因爆 破地震動造成建筑結構失穩(wěn)、開裂和變形等工程危害時有發(fā) 生。由于爆破作用的特殊性和復雜性，現(xiàn)有文獻在爆破地震 波對周邊建筑的影響方面的探討絕大部分為定性分析或實 驗分析，缺乏理論計算研究 。（3）目前，以試驗結果為依托，采用有限元分析手段， 對爆破地震波對建筑結構的影響進行數(shù)值模擬成為爆破振 動研究的一個熱點。 依托于一些大型有限元軟件， 如 ANSYS 、 LS-DYNA 、 ABAQUS 等對結構進行建模，把振動作為動力 荷載施加給結構，研究振動作用下結構的應力分布、最大變 形、速度響應等，可以較理想的實現(xiàn)對結構破壞效應的分析 與預測。本文借助通用有限元軟件 ANSYS 對一鋼筋混

8、凝土 框架結構進行爆破地震動時程分析，并與其在天然地震動下 進行比較，分析其在位移響應的差別。圖 2 結構平面布置圖2. 本構模型（1）本文的彈塑性本構模型采用服從 von Mises 屈服和 相關聯(lián)流動規(guī)則的雙線性隨動強化模型。圖 1 為雙線性隨動 強化模型中應力應變曲線。（ 2）在 ANSYS 中雙線性隨動強化模型（ BKIN ）采用 Mises 屈服準則和隨動強化準則，以兩條直線段描述材料的 應力應變關系。通過彈性模量、屈服應力和切線模量定 義應力應變關系曲線，切線模量不能小于零，也不能大于彈 性模量。3. 有限元模型的建立3.1 工程概況。本工程位于 II 類場地，為典型鋼筋混凝土的框

9、架結構， 層高 3.6m，共 12 層。結構平面布置圖見圖 2。本工程樓板 為現(xiàn)澆樓板， 各構件截面尺寸見表 1。3.2 ANSYS 有限元模型的建立。本文采用通用有限元計算軟件 ANSYS 進行分析，結構 主要由框架梁、柱和樓板組成。樓板采用 SHELL63 單元模 擬，梁柱采用 BEAM188 單元模擬，框架結構有限元模型總 共有 8492 個單元， 9591 個節(jié)點，底部采用剛性約束。計算 時采用剛性樓板假定，平面坐標軸 X 、Y 如圖所示，豎向坐 標軸 Z 為結構高度方向，模型如圖 3 所示。圖 3 ANSYS 模型圖圖 4 EI Centro 地震波圖 5 實測爆破地震波4. 工況的

10、選?。?）將實測的爆破震動加速度時程曲線（爆破地震波） 和調整后的多遇常規(guī)地震加速度時程曲線（ EL-Centro 地震 波）分別沿短邊方向（ y 向）輸入建立的 ANSYS 有限元模 型，對結構進行彈性時程分析。（2）天然地震波選取 EI Centro （1940NS）將峰值加速 度值調整為 35ga1，以模擬烈度為 7 度時的多遇地震作用， 時間間隔根據(jù)試驗研究的記錄數(shù)據(jù)為0.02s，輸入地震波持時為 012S（8.5T）。EI 波如圖 4 所示。（ 3）爆破波選用圖 5 所示的一組實測的典型爆破地震 波。5. 時程響應分析 阻尼采用瑞雷阻尼模型利用通用有限元軟件 ANSYS 對 上述結構

11、分別為 0.797，方案二為 0.699，均符合規(guī)范要求?？梢?方案二通過在剪力墻上開設結構洞或增大原有洞口，使結構 剛度減小，從而增長了周期，使結構變“柔 。但扭轉效應 減小，說明結構布置更加合理。（2）結構變形方面。兩方案的結構變形指標均符合規(guī) 范要求。按六度設防計算時方案一最大層間位移角才 1/4270 ， 方案二最大層間位移角 1/2782 ，較方案一有較大改進。但最 大變形均發(fā)生在風載作用時，說明六度區(qū)的風荷載對高層建 筑的影響已經(jīng)超過地震荷載，設計時應將風荷載作為首要影 響因素。但在較高烈度區(qū)時，隨著地震烈度的提高，剪力墻 所受的地震作用不斷增大。地震荷載超越風荷載成為主要影 響因素，其中層間位移比成為主要控制指標。（3）結構內力方面。方案二的基底彎矩值和剪力值均 小于方案一的數(shù)值。因此減小結構剛度，增長周期，使地震 影響系數(shù)減小，可有效減少地震力。并且隨著震級的提高， 地震作用成倍增加。同時，單從兩方案的軸壓比來看，剪力 墻的數(shù)量還可進一步減少以充分發(fā)揮混凝土材料的性能，提 高建筑物的經(jīng)濟性。5. 小結 隨著建筑不斷的復雜化以及建筑高度的不斷提升，剪力 墻結構成為了現(xiàn)代建筑結構設計中較為常用的結構類型之 一，其