工程力學畢業(yè)設計

1、本科畢業(yè)論文題目：基于ansys鋼結構在地震波激勵下的動態(tài)分析學 院:理學院專 業(yè):工程力學學 號:201007152012學生姓名:盧超超指導教師:龔相超日 期:二一四年六月武漢科技大學本科畢業(yè)論文摘 要在建筑結構中，鋼結構具有抗震性能高、工業(yè)化生產程度高、施工周期短、節(jié)能環(huán)保、便于運輸、施工速度快、延展性好等優(yōu)點，特別是鋼結構建筑所具有的延展性可以衰減地震波， 減少地震對建筑的破壞性。近些年來，地質災害頻發(fā)，地震引起的結構倒塌破壞越來越引起人們的關注。本文在理論分析的基礎上，通過室內實驗和數(shù)值模擬，主要進行了以下幾個方面的工作: 本論文以剛架結構為研究對象，對結構建立不同的簡化模型，和不同

2、的方法研究其在地震波激勵下的動態(tài)響應分析。通過模態(tài)分析，得到鋼結構水平振動的前十個振型和相應的固有頻率。在輸入地震波的情況下，采用瞬態(tài)動力學分析技術，確定了結構的動力響應。通過ansys軟件進行仿真分析，同理論分析進行比較，從而對結構在地震分析中的一些常規(guī)方法有一個全面的理解。關鍵詞: 鋼結構；地震波； 動力響應； 瞬態(tài)分析I武漢科技大學本科畢業(yè)論文AbstractIn building structure, steel structure has high shock resistant performance, high degree of the industrialization, t

3、he construction period is short, energy saving and environmental protection advantages, convenient transportation, fast construction speed, good ductility, especially the ductility of steel structure can reduce the attenuation of seismic waves, destructive earthquakes on buildings. In recent years,

4、geological disasters, collapse caused people's concern more and more structure caused by the earthquake. In this paper, on the basis of theoretical analysis, through the indoor experiment and numerical simulation, the main work is summarized as follows: in this thesis, the rigid frame as the res

5、earch object, a simplified model of the structure is different, and different methods to study the seismic wave dynamic response analysis. Through the modal analysis, get the horizontal vibration of steel structure of the first ten frequencies and corresponding natural. In the input earthquake waves

6、, the transient dynamics analysis, the dynamic response of the structure. The simulation analysis by ANSYS software, with the theoretical analysis, in order to have a comprehensive understanding of some conventional methods in seismic analysis of structure.Key words: Steel structure; Seismic wave; D

7、ynamic response; Transient analysis22武漢科技大學本科畢業(yè)論文目錄1 緒論11.1 研究的目的及意義11.2 國內外研究現(xiàn)狀11.3 存在的問題和不足11.4 主要研究內容22 基本理論22.1 模態(tài)分析22.1.1 模態(tài)分析定義與目的22.1.2 模態(tài)分析基礎理論22.1.3 模態(tài)提取方法32.1.4 模態(tài)疊加方法42.1.5 模態(tài)分析步驟42.2 瞬態(tài)動力分析52.2.1 瞬態(tài)分析定義與目的52.2.2 瞬態(tài)分析理論52.2.3 瞬態(tài)分析步驟63 鋼結構模型的模態(tài)分析63.1 建立有限元模型63.1.1 模型數(shù)據介紹63.1.2 單元選擇與介紹73.1.

8、3 建立模型93.2 鋼結構的模態(tài)分析103.3 分析與結論124 鋼結構模型的瞬態(tài)分析124.1 引言124.2 荷載介紹124.3 求時程曲線134.4 瞬態(tài)分析最大響應154.5 結構響應結果175 分析與結論185.1 數(shù)據分析185.2 結論19參考文獻20致 謝22武漢科技大學本科畢業(yè)論文1 緒論1.1 研究的目的及意義隨著我國經濟的進一步發(fā)展和建筑技術的逐漸進步，鋼結構也越來越廣泛的應用于建筑當中，其中在建筑結構中，鋼結構具有良好抗震性，并且工業(yè)化生產程度較高，鋼結構施工周期較短，并且具體節(jié)能環(huán)保、延展性好等優(yōu)點，特別對于鋼結構建筑具有的延展性可以對地震波產生衰減作用，減少地震對

9、鋼結構建筑的破壞。基于鋼結構建筑的突出優(yōu)點，美國、韓國等國的鋼結構建筑已占到總量的50左右。日本是多地震的國家， 鋼結構建筑在日本的占有率更是達到了65左右。據日本阪神地震后資料顯示，鋼結構建筑在地震中的受損率遠低于混凝土結構建筑。無獨有偶，四川汶川地震，同樣是鋼結構建筑的綿陽體育館也未受到損壞，且成為安置災民的主要地點。 在進行鋼結構的抗震設計時，應從歷次震害中吸取教訓，除了在強度和剛度上提高結構的抗力外，還要從如何增大鋼結構在往復荷載作用下的塑性變形能力和耗能能力，以及減小地震作用方面等全面考慮，做到既經濟、又可靠。1.2 國內外研究現(xiàn)狀我國現(xiàn)行的結構抗震設計，是以承載力為基礎的設計，通常

10、取結構的動應力特別是動拉應力為抗震設計時的控制指標；但歷次震害表明，結構破壞、倒塌的主要原因是變形過大，超過了結構能承受的變形能力，因此在20 世紀90 年代，美國學者提出了基于位移的抗震設計以結構的變形作為抗震設計時的控制指標，要求結構的變形值要滿足在地震作用 下的變形要求。國際上公認的結構抗震設計原則是“小震不壞，大震不倒”。為防止高層鋼結構建筑在罕遇地震作用下嚴重破壞（如產生較大層間殘余變形）或倒塌，需進行結構地震反應分析，驗算結構的極限變形。而進行結構彈塑性地震反應計算需解決的關鍵問題是，結構構件的恢復力模型和整體結構的彈塑性分析模型。實際地震地面運動總是多維的。由于結構剛度偏心或質量

11、偏心及扭轉地面運動的影響，建筑結構的真實地震反應通常表現(xiàn)為平扭禍合振動形式。多維地震作用和平扭禍合振動，均使得高層建筑鋼結構的地震反應呈空間形態(tài)。高層建筑鋼結構空間彈塑地震反應分析，是國際上工程結構抗震研究領域難度很大的前沿課題。1.3 存在的問題和不足 綜上所述，研究地震波激勵下鋼結構的動態(tài)分析是很有必要的，但當前的分析研究還存在以下不足： 通過數(shù)值模擬的方法對地震波激勵鋼結構的動態(tài)響應進行分析研究，精度雖然高，但在求解的過程中涉及到的結構的本構關系、邊界條件、阻尼等等其它許多參數(shù)使得計算過程復雜，困難較多。因此，如何快速簡捷且精確的解決問題，是一個需要進一步加強研究的問題。在研究

12、和評判結構安全穩(wěn)定性方面，實際工程設計與施工中經常使用某些經驗公式或某單一參數(shù)作為標準來評判結構的安全穩(wěn)定性或者其受到的影響。它沒有全方位的考慮到實際工程的地質地形條件和環(huán)境特性以及地質結構的動力特性，所以目前提出的方法在不同角度上都存在一定的局限性和片面性。1.4 主要研究內容 本文的研究內容主要是介紹ansys有限元分析軟件在鋼結構模態(tài)分析,以及水平地震波激勵下鋼架的瞬態(tài)動力學分析中的應用。介紹鋼架在ansys中的精確建模的理論基礎，通過模態(tài)分析得到鋼結構的不同振型，不同的變形形狀及相對位移。瞬態(tài)分析得出不同時間結構的位移和應力云圖，并且找出全程的位移，速度，加速度最大值節(jié)點。最后對得出的

13、結構進行分析。論文第二章是本文的理論基礎,主要介紹了模態(tài)分析、模態(tài)疊加的方法和瞬態(tài)動力學分析相關的知識。第三章主要介紹了用ANSYS對鋼結構模型進行模態(tài)分析的步驟以及結果與分析, 確定了框架結構前10階固有頻率模態(tài)和對應的振型。第四章是對結構在地震波激勵下進行瞬態(tài)分析,確定結構在天津波激勵下的最大位移和最大應力響應。論文的第五章對分析的結果進行總結。2 基本理論2.1 模態(tài)分析2.1.1 模態(tài)分析定義與目的模態(tài)分析是研究結構動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領域中的應用。模態(tài)是機械結構的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取

14、得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為計算模態(tài)分析；如果通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗模態(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗模態(tài)分析。模態(tài)分析的經典定義：將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標變換為模態(tài)坐標，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標及模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。模態(tài)分析的好處：（1）使結構設計避免共振或以特定頻率進行振動（例如揚聲器）；（2）使工程師可以認識到結構對于不同類型的動力載荷是如何響應的；（3）有助于在其它動力分析中估

15、算求解控制參數(shù)（如時間步長）。2.1.2 模態(tài)分析基礎理論通用運動方程：假定為自由振動并忽略阻尼：假定為諧運動：這個方程的根是，即特征值，i的范圍從1到自由度的數(shù)目，相應的向量是，即特征向量。特征值的平方根是，它是結構的自然圓周頻率（弧度/秒），并可得出自然頻率。特征向量表示振型，即假定結構以頻率振動時的形狀。模態(tài)提取是用來描述特征值和特征向量計算的術語。2.1.3 模態(tài)提取方法在ANSYS中有以下幾種提取模態(tài)的方法：Block Lanczos法、子空間法、PowerDynamics法、縮減法、不對稱法、阻尼法。使用何種模態(tài)提取方法主要取決于模型的大小(相對計算機能力而言)。 Block La

16、nczos法特征值求解器是卻省求解器，它采用Lanczos算法，是用一組向量來實現(xiàn)Lanczos遞歸計算，是一種功能強大的方法。當提取中型到大型模型（50.000 100.000 個自由度）的大量振型時（40+），這種方法很有效，同時它也可以較好的處理剛體振型。但是這種方法同時也需要較高的內存。子空間（Subspace）法使用子空間迭代技術，它內部使用廣義Jacobi迭代算法。由于該方法采用完整的剛度和質量矩陣，因此精度很高，比較適合于提取類似中型到大型模型的較少的振型 （<40），但在具有剛體振型時可能會出現(xiàn)收斂問題PowerDynamics法內部采用子空間迭代計算，但采用PCG迭代求

17、解器。這種方法明顯地比子空間法和分塊Lanczos法快。但是，如果模型中包含形狀較差的單元或病態(tài)矩陣時可能出現(xiàn)不收斂問題。該法特別適用于求解超大模型（大于100,000個自由度）的起始少數(shù)階模態(tài)。譜分析最好不要使用該方法提取模態(tài)?？s減法（Reduced）法采用HBI算法（Householder-二分-逆迭代）來計算特征值和特征向量。由于該方法采用一個較小的自由度子集即主自由度（DOF）來計算，因此計算速度更快。主自由度（DOF）導致計算過程中會形成精確的剛度矩陣和近似的質量矩陣（通常會有一些質量損失）。因此，計算結果的精度將取決于質量陣的近似程度，近似程度又取決于主自由度的數(shù)目和位置。不對稱法

18、（Unsymmetric）也采用完整的剛度和質量矩陣，適用于剛度和質量矩陣為非對稱的問題（例如聲學中流體-結構耦合問題）。此法采用Lanczos算法，不執(zhí)行Sturm序列檢查,所以遺漏高端頻率.阻尼法（Damped）用于阻尼不能被忽略的問題，如轉子動力學研究。該法使用完整矩陣（剛度、質量及阻尼矩陣）。阻尼法采用Lanczos算法并計算得到復數(shù)特征值和特征向量。此法不能用Sturm序列檢查。因此，有可能遺漏所提取頻率的一些高頻端模態(tài)。2.1.4 模態(tài)疊加方法 模態(tài)疊加是用于瞬態(tài)分析和諧分析的一種求解技術模態(tài)疊加是將從模態(tài)分析中得到各個振型分別乘以系數(shù)后疊加起來以計算動力學響應。它是一個用來求解線

19、性動力學問題的快速、有效的方法。另一種可選用的方法是直接積分方法，這種方法需要較多的時間下面來比較這兩種方法。模態(tài)疊加法：運動方程是去耦的,求解速度很快；當僅需少量模態(tài)來描述響應時有效；需要模態(tài)解中的特征向量；只用于線性分析，不能有非線性性質；決定要使用多少個模態(tài)是比較困難的,很少幾個模態(tài)可能得到良好的位移結果,但只能得到很差的應力結果。 直接積分法：完全耦合的運動方程,求解很費時間；對大多數(shù)問題都有效；不需要特征向量然而大多數(shù)動力分析是從模態(tài)求解開始的；在瞬態(tài)分析中允許有非線性性質；決定積分時間步長 Dt比決定要疊加的模態(tài)個數(shù)更為容易。提取模型：只有 Block Lanczos法, 子空間法

20、, 或縮減法是有效的方法；提取可能對動力學響應有影響的所有模態(tài)；模態(tài)擴展在查看模態(tài)振型時是必要的,但在進行模態(tài)疊加求解時并不需要。荷和約束條件：在這一步中必須施加所有的位移約束,位移約束值只能為零,非零值是不允許的；如果諧分析和瞬態(tài)分析中要施加單元載荷（如壓力溫度和加速度等）時,它們必須在這一步中定義。分析選項除以下幾點外均類同于完全諧分析或瞬態(tài)分析：求解方法：模態(tài)疊加法；最大模態(tài)序號：用于求解的最大模態(tài)序號,缺省值為擴展的最高模態(tài)序號；最小模態(tài)序號： 最低模態(tài)序號,缺省值為1。2.1.5 模態(tài)分析步驟（1） 建模：必須定義密度；只能使用線性單元和線性材料，非線性性質將被忽略。（2）選擇分析類

21、型和選項：進入求解器并選擇模態(tài)分析模態(tài)提取選項方法：建議對大多數(shù)情況使用Block Lanczos 法，振型數(shù)目必須指定（縮減法除外），頻率范圍：缺省為全部，但可以限定于某個范圍內 （FREQB to FREQE）振型歸一化。主要用于對稱循環(huán)模態(tài)中；模態(tài)模態(tài)擴展：對于縮減法而言，擴展意味著從縮減振型中計算出全部振型；對于其它方法而言，擴展意味著將振型寫入結果文件中；如果想進行下面任何一項工作，必須擴展模態(tài)，在后處理中觀察振型；計算單元應力；進行后繼的頻譜分析。其它分析選項：集中質量矩陣：主要用于細長梁或薄殼，或者波傳播問題；對 PowerDynamics 法，自動選擇集中質量矩陣。預應力效應：

22、用于計算具有預應力結構的模態(tài)（以后討論）。阻尼：阻尼僅在選用阻尼模態(tài)提取法時使用；可以使用阻尼比a阻尼和阻尼；對BEAM4 和 PIPE16 單元，允許使用陀螺阻尼。（3）施加邊界條件：位移約束。施加必需的約束來模擬實際的固定情況；在沒有施加約束的方向上將計算剛體振型；不允許有非零位移約束。外部載荷：因為振動被假定為自由振動，所以忽略外部載荷。然而，ANSYS程序形成的載荷向量可以在隨后的模態(tài)疊加分析中使用。（4）求解：通常采用一個載荷步；為了研究不同位移約束的效果，可以采用多載荷步（例如，對稱邊界條件采用一個載荷步，反對稱邊界條件采用另一個載荷步）。觀察結果：進入通用后處理器POST1；列出

23、各自然頻率；觀察振型；觀察模態(tài)應力2.2 瞬態(tài)動力分析2.2.1 瞬態(tài)分析定義與目的瞬態(tài)動力分析是確定隨時間變化載荷（例如爆炸）作用下結構響應的技術；輸入數(shù)據：作為時間函數(shù)的載荷。輸出數(shù)據：隨時間變化的位移和其它的導出量，如：應力和應變。瞬態(tài)動力分析可以應用在以下設計中：承受各種沖擊載荷的結構，如：汽車中的門和緩沖器、建筑框架以及懸掛系統(tǒng)等；承受各種隨時間變化載荷的結構，如：橋梁、地面移動裝置以及其它機器部件；承受撞擊和顛簸的家庭和辦公設備，如：移動電話、筆記本電腦和真空吸塵器等。2.2.2 瞬態(tài)分析理論用于瞬態(tài)動力分析的運動方程和通用運動方程相同；這是瞬態(tài)分析的最一般形式，載荷可為時間的任意

24、函數(shù)；按照求解方法， ANSYS 允許在瞬態(tài)動力分析中包括各種類型的非線性- 大變形、接觸、塑性等等。運動方程的兩種求解法：模態(tài)疊加法直接積分法：運動方程可以直接對時間按步積分。在每個時間點，需求解一組聯(lián)立的靜態(tài)平衡方程（F=ma）；ANSYS 采用Newmark 法這種隱式時間積分法；ANSYS/LS-DYNA 則采用顯式時間積分法；求解時即可用縮減結構矩陣，也可用完整結構矩陣；縮減矩陣：用于快速求解；根據主自由度寫出K， C， M等矩陣，主自由度是完全自由度的子集；縮減的 K 是精確的，但縮減的 C 和 M 是近似的。此外，還有其它的一些缺陷，但不在此討論。完整矩陣：不進行縮減。 采用完整

25、的K， C， 和 M矩陣；在本論文中的全部討論都是基于此種方法。積分時間步長（亦稱為ITS 或 Dt ）是時間積分法中的一個重要概念ITS = 從一個時間點到另一個時間點的時間增量 Dt ；積分時間步長決定求解的精確度，因而其數(shù)值應仔細選取。ITS 應足夠小以獲取下列數(shù)據：響應頻率載荷突變接觸頻率（如果存在的話）波傳播效應（若存在）2.2.3 瞬態(tài)分析步驟（1）建模：允許所有各種非線性，記住要輸入密度（2）選擇分析類型和選項：進入求解器并選擇瞬態(tài)分析求解方法和其它選項完整矩陣方法為缺省方法。允許下列非線性選項：大變形應力硬化Newton-Raphson 解法。阻尼：和b阻尼均可用；在大多數(shù)情況

26、下，忽略阻尼（粘性阻尼），僅規(guī)定b阻尼（由滯后造成的阻尼）（3）規(guī)定邊界條件和初始條件：在這種情況下邊界條件為載荷或在整個瞬態(tài)過程中一直為常數(shù)的條件，例如：固定點（約束）對稱條件重力。初始條件施加初始條件的兩種方法：以靜載荷步開始：當只需在模型的一部分上施加初始條件時，例如，用強加的位移將懸臂梁的自由端從平衡位置“撥”開時，這種方法是有用的；用于需要施加非零初始加速度時。使用IC 命令：Solution > Apply > Initial Conditn > Define +當需在整個物體上施加非零初始位移或速度時IC 命令法是有用的。（4）施加時間-歷程載荷和求解：時間-

27、歷程載荷是隨時間變化的載荷這類載荷有兩種施加方法：列表輸入法；多載荷步施加法。求解：采用 SOLVE 命令（或者，如果已寫成了結果文件，則采用 LSSOLVE ），在每個時間子步，ANSYS 按照載荷-時間曲線計算載荷值。（5）察看結果：由三步構成：繪制結構中某些特殊點的結果-時間曲線確定臨界時間點察看在這些臨界時間點處整個結構上的結果。3 鋼結構模型的模態(tài)分析3.1 建立有限元模型3.1.1 模型數(shù)據介紹實驗模型如圖3.1是一個六層鋼結構模型，各部分材料均為鋁合金，彈性模量E=69Gpa，泊松比為0.33，密度為2800。樓板長200mm，寬170mm，厚2mm，每層高80mm，柱子半徑為4

28、mm.圖3.1 6層鋼結構模型圖3.1.2 單元選擇與介紹 模型采用梁單元BEAM4來模擬框架梁、框架柱、支撐；采用殼單元SHELL63單元來模擬樓板。對于實際中的鋼筋混凝土框架結構，按高層建筑混凝土結構技術規(guī)程鋼筋混凝土高層建筑結構的阻尼比應取0.05。本文的模型材料為鋁合金，因此系統(tǒng)的結構阻尼很小，本文采用系統(tǒng)提供的參考值，取結構阻尼為0.01。選用Block Lanczos法計算。Beam188該單元是建立在Timoshenko梁分析理論基礎上的,計入了剪切效應和大變形效應,故可以考慮剪切變形和翹曲,同時也支持大轉動和大應變等非線性,而且可以直接顯示梁截面上的應力和變形,適合于從細長到中

29、等粗短的梁結構。定義時需要三個節(jié)點,定位節(jié)點與主節(jié)點應位于同一個平面內,以確定梁的截面主軸方向。與其他的梁單元相比,BEAM188有更強的非線性分析能力,而且有強大的橫截面定義功能,能夠自由定義各種截面。Beam188 是三維線性（2 節(jié)點）或者二次梁單元。每個節(jié)點有六個或者七個自由度，自由度的個數(shù)取決于KEYOPT(1)的值。當KEYOPT(1)0（缺?。r，每個節(jié)點有六個自由度；節(jié)點坐標系的x、y、z 方向的平動和繞x、y、z 軸的轉動。當KEYOPT(1)=1 時，每個節(jié)點有七個自由度，這時引入了第七個自由度（橫截面的翹曲）。這個單元非常適合線性、大角度轉動和/并非線性大應變問題。當NL

30、GEOM 打開的時候，beam188 的應力剛化，在任何分析中都是缺省項。應力強化選項使本單元能分析彎曲、橫向及扭轉穩(wěn)定問題（用弧長法）分析特征值屈曲和塌陷）。SHELL63既具有彎曲能力和又具有膜力，可以承受平面內荷載和法向荷載。本單元每個節(jié)點具有6 個自由度：沿節(jié)點坐標系X、Y、Z 方向的平動和沿節(jié)點坐標系X、Y、Z 軸的轉動。應力剛化和大變形能力已經考慮在其中。在大變形分析（有限轉動）中可以采用不變的切向剛度矩陣。其詳細的特性請參考Section 14.63 of the ANSYS Theory Reference。近似的單元有SHELL43，SHELL181(塑性能力)，SHELL9

31、3（包含中間節(jié)點）ETCHG命令可以SHELL57 和SHELL157 單元轉換為SHELL63 單元。3.1.3 建立模型下圖3.2為ansys有限元模型圖3.2有限元模型圖3.2 鋼結構的模態(tài)分析鋼結構的模態(tài)分析是動力學分析的基礎和重要部分，在進行其他動力學分析之前一般都需要進行模態(tài)分析來獲得結構振動的各階固有頻率以及各階振型，進而對結構的振動方式有一個基本的了解，為進一步分析系統(tǒng)振動提供方便。由于本鋼結構有限元模型的自由度很多，若求出其全部的固有頻率和振型向量是非常困難的。由振動理論可知,在結構的振動過程中起主要作用的是較低階模態(tài),高階模態(tài)對響應的貢獻很小,并且衰減很快,故只考慮低階模態(tài)

32、。因此在模態(tài)分析時,選取該鋼結構的前10階固有頻率分析。下表列出該鋼結構有限元模型所求的前10階固有頻率SetFrequencyLoad StepSubstep117.64111217.89712326.28713472.43314573.032156108.88167142.61178143.82189144.171910144.11110下圖3.3至3.12為前10階固有頻率對應的振型圖3.3第一階模態(tài)3.4第二階模態(tài)3.5第三階模態(tài)3.6第四階模態(tài)3.7第五階模態(tài)3.8第六階模態(tài)3.9第七階模態(tài)3.10第八階模態(tài)3.11第九階模態(tài)3.12第十階模態(tài)3.3 分析與結論由結果中的固有頻率可知

33、當發(fā)生的地震波的頻率在17.641，17.897，26.287HZ等時，該鋼結構處于最危險的時刻。通過觀察比較各階模態(tài)的振型圖可以看出3.3第一階和3.4第二階振型圖的區(qū)別在于振動方向分別為X與Y方向，且這兩階的固有頻率很接近都在17HZ左右，這是因為X與Y方向的寬度相近。第一階主振型為X方向是因為X方向相對Y方向剛度小一些。由此我們可以得出結論實際房屋設計時為了考慮防震等因素，X與Y方向的寬度相差不能太大，否則得在剛度小的那側添加附加支座約束以提升整體的抗震性能。仔細觀察前6階的振型圖其實可以發(fā)現(xiàn)前五階各層樓板基本上都沒有變形或者變形很小，可以看做是在做平動而已。主要的變形是由各層間的四根柱

34、子的變形引起的。而第7階到第10階各樓板的變形相對更加明顯，而柱子的變形教小或不明顯。猶豫實際地震波的頻率一般較低，所以參照該鋼結構前幾階的變形可知實際鋼結構設計時柱子的剛度應該盡量大一點。4 鋼結構模型的瞬態(tài)分析4.1 引言本章將對圖3.2中的鋼結構有限元模型進行瞬態(tài)動力響應計算分析，主要內容有：（1）對模型的底座施加地震波載荷，用ANSYS模擬計算地震波載荷下鋼結構模型各處的應力與應變，并且找出結構最大位移，最大速度，最大加速度節(jié)點的位置，以及所發(fā)生的時刻。求出所需節(jié)點的時程曲線。（2）對所得結構的最大應力與應變進行分析與討論4.2 荷載介紹 本論文計算模型所加載荷載為地震波，截取天津波東

35、西向10秒加速度數(shù)據從模型底座X方向進行激勵?？傒d荷步數(shù)1000，時間步長設置為0.01s。天津波以一定的格式保存在tianjin.txt文本中，通過命令流的輸入來導入天津波，ANSYS有限元程序將天津波的載荷步依次從X方向激勵給模型底座。開始求解過程之前，要設置一些求解過程控制。求解過程控制主要包括：設定分析選項，設置求解時間和時間步控制，設置輸出類型和時間間隔。輸出類型的不同將直接影響后處理的難易程度與便捷性。同時輸出間隔的設置也會在一定程度上影響結果的精度。4.3 求時程曲線 在模型頂層樓板隨機取一第688節(jié)點，分別繪出688節(jié)點的Y向位移UY，速度VY，加速度AY的時程曲線圖如下：圖4

36、.1 節(jié)點688UY位移時程曲線圖圖4.2 節(jié)點688VY速度時程曲線圖圖4.3 節(jié)點688AY加速度時程曲線圖4.4 瞬態(tài)分析最大響應為了找出鋼結構模型最大位移，最大速度，最大加速度以及最大主應力發(fā)生的位置，首先通過（EXTREM,1,4,1,）命令最大最小響應的臨界時間點如下表 表4.1響應項目最小值最小值時間（s）最大值最大值時間（s）688UYY向位移-0.2793E-037.110.4391E-037.57688VYY向速度-0.1155E-017.830.1083E-017.43688AYY向加速度-0.94646.410.96473.43由以上結果可知在7.57s結構有最大位移響

37、應，7.43s有最大速度響應，3.43s有最大加速度響應。分別可得到不同時間點的響應圖如下：圖3.4.1 7.57s結構形變圖 圖3.4.2 7.57s結構位移云圖圖3.4.3 7.57s結構應力云圖下表為7.57s結構響應結果 表4.2X向位移UXY向位移UYZ向位移UZ位移U主應力S1最大值0.43916E-070.43910E-03-0.10845E-040.43916E-030.72058E+07所在節(jié)點747665333629298圖3.5.1 7.43s結構形變圖 圖3.5.2 7.43s結構速度云圖 圖3.5.3 7.43s結構應力云圖下表為7.43s結構響應結果 表4.3X向速

38、度VXY向速度VYZ向速度VZ速度V主應力S1最大值0.70361E-060.1083E-01-0.26714E-030.10831E-010.16529E+07所在節(jié)點747659333629298圖3.6.1 3.43s結構形變圖 圖3.6.2 3.43s結構加速度云圖圖3.6.3 3.43s結構應力云圖下表為3.43s結構響應結果 表4.4X向加速度AXY向加速度AYZ向加速度AZ加速度A主應力S1最大值0.63051E-040.96467-0.23826E-010.964820.14899E+07所在節(jié)點7476653336293094.5 結構響應結果 因為本論文主要是研究地震波激勵

39、下鋼結構的安全性，故不列出最小響應值。對照表4.1至表4.4可得出該鋼結構模型在所加載天津波的激勵下，7.57秒時在629節(jié)點處發(fā)生最大位移，其值為0.43916m，；7.43秒時在629號節(jié)點處發(fā)生最大速度，其值為0.010831m/s；3.43秒在629節(jié)點處產生最大加速度，其值為0.96482m/。最大主應力發(fā)生在7.57秒在298節(jié)點處，其值為7.2058Mpa。5 分析與結論5.1 數(shù)據分析通過對上述結果的觀察可發(fā)現(xiàn)所得出的數(shù)據都偏小，例如相對與鋼結構模型本身的高度0.5m，最大位移只有0.00044m。為了找出其原因，首先對所加載荷天津波進行分析。用Origin軟件繪出天津波的波形

40、圖如下對其進行頻譜分析后得到天津波的頻率分布圖如下由圖可以看出所施加的天津波荷載的頻率主要分布在010Hz，而前面對鋼結構模型進行模態(tài)分析的到的前10階固有頻率均大于17Hz，這就是為什么在天津波激勵下結果的響應結果數(shù)據較小的原因，說明該計算結果無誤。5.2 結論（1）本章通過ANSYS瞬態(tài)分析對鋼結構模型進行數(shù)值模擬，得出了鋼結構房屋在地震波載荷作用下結構的變形規(guī)律，即水平地震波激勵下結構的形變主要為前幾階振型的參與。當?shù)卣鸩ǖ念l率接近于結構的某一階固有頻率時，結構的變形與此階振型接近。所以進行抗震設計時應充分考慮當?shù)氐乩砬闆r，避免結構固有頻率與災害地震頻率接近。（2）本論文中鋼結構在天津波

41、激勵下，最大位移，速度與加速度響應均發(fā)生在最高層。而最大主應力響應則發(fā)生在樓板與立柱的結合處，所以對結構進行強度校核時應該重點考慮此處是否符合要求。（3）由第一階振型以及瞬態(tài)分析最大響應時的形變可知，若結構的X與Y兩個方向的寬度相差很大，對結構本身來說很危險。因為此時兩個方向的剛度相差太大，當施加地震激勵獲其他水平荷載時，結構的連接部位很容易產生失衡。參考文獻1 馬雪晴. 基于隨機振動的高層框架結構地震響應分析D. 安徽理工大學碩士學位論文，2012. 242 黃怡, 王原清. 框架- 支撐鋼結構抗震性能的有限元分析 J .四川建筑科學研究, 2005 (6) .3-63 李圍. ANSYS土

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