多維地震作用下大直徑圓筒結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究

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1、多維地震作用下大直徑圓筒結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究　　摘要：本文利用ANSYS通用有限元軟件建立了大直徑圓筒結(jié)構(gòu)的土體與結(jié)構(gòu)共同作用下的三維彈塑性有限元模型，分析了單向輸入地震波、雙向輸入地震波，以及三向輸入地震波作用下的大直徑圓筒結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，得出了大圓筒結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)曲線，并對不同地震波作用下筒體結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了分析與總結(jié)，針對該變化規(guī)律提出了合理的建設(shè)性意見，以達(dá)到指導(dǎo)同類大直徑圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的目的。關(guān)鍵詞：多維地震；大直徑圓筒；動力響應(yīng)中圖分類號：P315文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：大圓筒結(jié)構(gòu)是一種新型

2、的水工結(jié)構(gòu)，通常處于惡劣的海洋環(huán)境，承受各類環(huán)境荷載，其中波浪荷載和地震荷載為主要荷載，而且我國是一個多地震國家，因此對地震荷載作用下大圓筒的動力響應(yīng)進(jìn)行計算分析十分必要。6隨著人們對地震動認(rèn)識的深入，地震動多維性以及結(jié)構(gòu)的多維反應(yīng)特點(diǎn)越來越引起人們的重視。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多維地震反應(yīng)分析也是深刻了解結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)，同時也為后續(xù)有效抗震設(shè)計提供可靠的依據(jù)。對于大圓筒結(jié)構(gòu)抗震，只考慮單向地震作用是不夠的，還有必要考慮地震動的多維性以及結(jié)構(gòu)反應(yīng)的多維性，對大圓筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行多維地震反應(yīng)研究具有十分重要的實際意義。1.大圓筒

3、結(jié)構(gòu)動力計算基本理論多維地震作用的時程分析比一維單獨(dú)作用的時程分析復(fù)雜得多[6]。結(jié)構(gòu)在多維地震作用下的振動方程為[2]：式中:[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣，、、、分別為結(jié)構(gòu)的加速度、速度和位移及地面加速度向量。2.大圓筒結(jié)構(gòu)有限元仿真分析模型的建立2.1有限元模型尺寸的選取本文根據(jù)相關(guān)工程實踐資料建立有限元分析模型。設(shè)定圓筒直徑為12.0m，壁厚為25cm；基礎(chǔ)筒體高度27.0m，其中插入土體深度為15.0m。土體平面長度和寬度方向上均取5倍的大圓筒直徑，沿深度方向取2倍的埋深。2.2土體參

4、數(shù)的選取土體的本構(gòu)模型采用能夠較好反映土體非線性特性的Drucker-Prager理想彈塑性模型。具體材料參數(shù)見表1。表1土體材料參數(shù)2.3筒體結(jié)構(gòu)與土體接觸面設(shè)定6為了保證模擬筒體與土體之間高度非線性的相互作用，故在土與結(jié)構(gòu)的交接面處設(shè)置接觸面。將剛性面—圓筒作為目標(biāo)面，在該面上生成目標(biāo)單元，將柔性面—土體表面作為接觸面并生成接觸單元，從而建立接觸單元對（簡稱接觸對）。動力接觸,采用罰函數(shù)接觸:式中:k—接觸剛度—穿透剛度2.4邊界條件的確定邊界條件指結(jié)構(gòu)邊界上所受的外加約束，施加正確的邊界條件是獲得正確分析結(jié)果和

5、較高的分析精度的重要條件。考慮到筒體結(jié)構(gòu)的實際受力情況，設(shè)定地基土邊界四周約束為u1＝u2=0，底部對三向自由度全部約束，即u1＝u2＝u3。3不同地震波的選用為了研究大圓筒結(jié)構(gòu)在多維地震波作用下的動力響應(yīng)，本文選取具有代表性的四類場地天津地震波作為加載對象，根據(jù)天津地震波X,Y,Z三方向地震加速度記錄的時程曲線(加速度峰值已調(diào)整到地震烈度水平為8度時規(guī)范規(guī)定的0.2g)，采用該強(qiáng)震記錄加速度時程作為激勵輸入，進(jìn)行地震烈度為8度時的大圓筒結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)數(shù)值分析。4不同地震波作用下相關(guān)計算結(jié)果與分析4.1地震波對結(jié)構(gòu)響應(yīng)

6、的影響分析6本文在有限元模型中選取位于筒體頂部為研究對象，得出不同地震波輸入情況下筒頂位移時程曲線，加速度時程曲線如下圖5-6所示：圖5筒頂位移時程曲線圖6筒頂加速度響應(yīng)曲線4.2地震波多維輸入對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響分析同樣在有限元模型中選取位于筒體頂部為研究對象，得出不同地震波輸入情況下筒頂位移時程曲線，加速度時程曲線如圖9-12所示，圖7筒頂加速度響應(yīng)曲線（三維輸入）由圖5—圖7可見，大圓筒結(jié)構(gòu)在三維地震作用下，筒頂、筒中、筒底各點(diǎn)X方向的位移大于一維地震作用情況，位移分別放大58.99%、31.81%、12.92%。

7、比較圖6與圖8，加速度呈現(xiàn)放大趨勢，三維激勵時加速度放大系數(shù)較一維有所增加，放大倍數(shù)在1.0—2.5之間，時間稍有滯后。大圓筒在三維激勵下的地震加速度反應(yīng)，較一維激勵具有明顯的放大效應(yīng)。一維激勵加速度峰值區(qū)域較為集中，主峰突出，在三維地震激勵下，大圓筒加速度區(qū)域長，峰值點(diǎn)模糊。6結(jié)語(1)6三種地震動激勵下位移時程和速度時程總體變化是相似的：水平向位移沿筒體深度都是逐漸減少，筒體自由端位移變化最大；響應(yīng)速度和位移無論是趨勢還是幅值變化都是非常相似的,趨勢由上到下是減弱的；（2)對于規(guī)則的大圓筒結(jié)構(gòu)，Tianjin地震

8、動雙向輸入結(jié)構(gòu)響應(yīng)通常比地震動單向輸入時的動力響應(yīng)要小，且對圓筒頂點(diǎn)、圓筒中點(diǎn)和圓筒底點(diǎn)處結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響幅度很接近；對于規(guī)則的大圓筒結(jié)構(gòu)而言，地震動雙向輸入對大圓筒結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響幅度通常很小，一般不超過5%。(4)結(jié)構(gòu)在三維地震動作用下的反應(yīng)大于一維地震作用情況。(5)大圓筒在三維激勵下的地震加速度反應(yīng)，較一維激勵具有明顯的放大效應(yīng)。一維激勵加