框架結(jié)構(gòu)在爆破時程下的ANSYS位移響應(yīng)分析

1、框架結(jié)構(gòu)在爆破時程下的 ANSYS 位移響應(yīng)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(yīng)不僅與地表面振動強(qiáng)度參數(shù)有關(guān)（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(guān)性， 爆破振動破壞效應(yīng)是結(jié)構(gòu)體動態(tài)破壞問題，其 對結(jié)構(gòu)體的破壞應(yīng)作為一個動力響應(yīng)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(jié)構(gòu)進(jìn)行動力時程分析， 并與天然地震波 EI 波下的動力響 應(yīng)進(jìn)行比較得出相應(yīng)的結(jié)論。【關(guān)鍵詞】城市隧道；爆破振動； ANSYS ；框架結(jié)構(gòu)； 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?qū)⒔ǔ鞘械罔F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(fù)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(yīng)力應(yīng)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(jié)構(gòu)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(fù)雜性，現(xiàn)有文獻(xiàn)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?qū)?驗分析，缺乏理論計算研究 。（3）目前，以試驗結(jié)果為依托，采用有限元分析手段， 對爆破地震波對建筑結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，把振動作為動力 荷載施加給結(jié)構(gòu)，研究振動作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、最大變 形、速度響應(yīng)等，可以較理想的實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)的分析 與預(yù)測。本文借助通用有限元軟件 ANSYS 對一鋼筋混

8、凝土 框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆破地震動時程分析，并與其在天然地震動下 進(jìn)行比較，分析其在位移響應(yīng)的差別。圖 2 結(jié)構(gòu)平面布置圖2. 本構(gòu)模型（1）本文的彈塑性本構(gòu)模型采用服從 von Mises 屈服和 相關(guān)聯(lián)流動規(guī)則的雙線性隨動強(qiáng)化模型。圖 1 為雙線性隨動 強(qiáng)化模型中應(yīng)力應(yīng)變曲線。（ 2）在 ANSYS 中雙線性隨動強(qiáng)化模型（ BKIN ）采用 Mises 屈服準(zhǔn)則和隨動強(qiáng)化準(zhǔn)則，以兩條直線段描述材料的 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。通過彈性模量、屈服應(yīng)力和切線模量定 義應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(jié)構(gòu)， 層高 3.6m，共 12 層。結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖 2。本工程樓板 為現(xiàn)澆樓板， 各構(gòu)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(jìn)行分析，結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)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(biāo)軸 X 、Y 如圖所示，豎向坐 標(biāo)軸 Z 為結(jié)構(gòu)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(diào)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(diào)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(yīng)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(jié)構(gòu)

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(shè)結(jié)構(gòu)洞或增大原有洞口，使結(jié)構(gòu) 剛度減小，從而增長了周期，使結(jié)構(gòu)變“柔 。但扭轉(zhuǎn)效應(yīng) 減小，說明結(jié)構(gòu)布置更加合理。（2）結(jié)構(gòu)變形方面。兩方案的結(jié)構(gòu)變形指標(biāo)均符合規(guī) 范要求。按六度設(shè)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(jìn)。但最 大變形均發(fā)生在風(fēng)載作用時，說明六度區(qū)的風(fēng)荷載對高層建 筑的影響已經(jīng)超過地震荷載，設(shè)計時應(yīng)將風(fēng)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(fēng)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(biāo)。（3）結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jì)性。5. 小結(jié) 隨著建筑不斷的復(fù)雜化以及建筑高度的不斷提升，剪力 墻結(jié)構(gòu)成為了現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中較為常用的結(jié)構(gòu)類型之 一，其