房屋結(jié)構(gòu)有限元抗震分析

中國(guó)人民解放軍72463部隊(duì) 250022

摘要：據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)因地震造成死亡的人數(shù)，占國(guó)內(nèi)所有自然災(zāi)害包括洪水、山火、泥石流、滑坡等總?cè)藬?shù)的54%，超過(guò)1/2。從人員的死亡來(lái)與經(jīng)濟(jì)損失上看，地震是群害之首。鑒于此，本文闡述了抗震基本理論，指出了有限元分析在抗震設(shè)計(jì)中具有傳統(tǒng)試驗(yàn)方法所不具備的優(yōu)勢(shì)，并給出了采用有限元進(jìn)行抗震分析的方法和步驟，旨在提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，進(jìn)而減輕地震災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：房屋結(jié)構(gòu)；抗震分析；有限元

前言：

眾所周知，我國(guó)位于世界兩大地震帶――環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍。因此，我國(guó)是一個(gè)地震活動(dòng)較多的國(guó)家，全國(guó)大多數(shù)省份均發(fā)生過(guò)6級(jí)以上地震。特別是2008年的汶川大地震，震級(jí)里氏8.0級(jí)，遇難69229人，失蹤17923人，給我國(guó)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，大面積房屋倒塌，很多房屋破損。所以，流行著這么一句話，“殺人的不是地震，而是建筑?！边@是地震災(zāi)害學(xué)中一句著名的話。因此，災(zāi)后重建需要更多的考慮房屋的抗震安全性能，盡可能的防止類似事件的發(fā)生，同時(shí)也要對(duì)破損建筑進(jìn)行震害評(píng)估，針對(duì)不同的破壞情況，給出合理的加固維修方案，這些都需要地震工作者對(duì)房屋進(jìn)行抗震方面的研究。

一、抗震基本理論

為了高層建筑具有足夠的抗震能力，達(dá)到小震不壞，中震可修，大震不倒的要求，我們應(yīng)要充分考慮到下述的抗震設(shè)計(jì)基本理論。地震引起結(jié)構(gòu)震動(dòng)的全過(guò)程，是由震源產(chǎn)生地震動(dòng)，通過(guò)傳播途徑傳遞到結(jié)構(gòu)上，從而引起結(jié)構(gòu)的震動(dòng)反應(yīng)。通過(guò)在不同階段采取震動(dòng)方法控制措施，就成為不同的積極抗震方法，如震源部位消震，傳播途徑的隔震，結(jié)構(gòu)的被動(dòng)減震，振動(dòng)反應(yīng)的主動(dòng)減震?？拐鹪O(shè)計(jì)理論大致從開始的隔震措施，包括基礎(chǔ)隔震、懸掛隔震等；到后來(lái)的被動(dòng)減震，包括耗能減震、沖擊減震和吸振減震等；再后來(lái)是主動(dòng)控制減震體系和半主動(dòng)控制和混合控制體系。隨著人們對(duì)地震研究的深入，對(duì)地震反應(yīng)分析的認(rèn)識(shí)逐漸加深，不斷總結(jié)在抗震分析中的各種理論，抗震分析理論逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立學(xué)科，許多學(xué)者對(duì)抗震分析理論研究逐步加深，根據(jù)所應(yīng)用的理論知識(shí)的不同，抗震分析理論主要經(jīng)歷了靜力理論、反應(yīng)譜理論和動(dòng)力時(shí)程分析三個(gè)階段。

（1）靜力理論

靜力理論是指計(jì)算結(jié)構(gòu)承受的地震作用時(shí)，假定結(jié)構(gòu)是絕對(duì)剛體，沒有考慮地震的時(shí)間、周期等動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)的阻尼、自振等性能。日本首先對(duì)靜力理論做了大量研究工作，并得到了很大發(fā)展，他們將作用在結(jié)構(gòu)物的水平地震荷載靜力等效為水平力F，其大小等于結(jié)構(gòu)重力G乘以地震系數(shù)k。采用靜力理論進(jìn)行抗震分析計(jì)算時(shí)，由于靜力法通常假定結(jié)構(gòu)是剛性的，而且地震波作用通常是隨時(shí)間變化的荷載，而靜力理論忽略了結(jié)構(gòu)的額外動(dòng)力效應(yīng)，所得的結(jié)果往往會(huì)有很大的近似性。

（2）反應(yīng)譜理論

美國(guó)學(xué)者首先提出了反應(yīng)譜理論，反應(yīng)譜理論主要是通過(guò)反應(yīng)譜計(jì)算出結(jié)構(gòu)的位移、加速度、速度等最大地震作用與結(jié)構(gòu)固有頻率的關(guān)系曲線，然后將此地震作用等效為靜力荷載作用在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行計(jì)算。反應(yīng)譜理論由于計(jì)算簡(jiǎn)單，在目前抗震分析理論中仍然具有較多的應(yīng)用，主要是他考慮了結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)特點(diǎn)。但其也有自己的缺陷，反應(yīng)譜是根據(jù)彈性結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)繪制的，引用反映結(jié)構(gòu)延性的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)后，也只能籠統(tǒng)地給出結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)的結(jié)構(gòu)整體最大地震反應(yīng)，不能給出結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的全過(guò)程，更不能給出地震過(guò)程中各構(gòu)件進(jìn)入彈塑性變形階段的內(nèi)力和變形狀態(tài)，因而也就無(wú)法找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

（3）動(dòng)力時(shí)程分析階段

時(shí)程分析法是把地震作為一個(gè)時(shí)間歷程，選擇有代表性的典型地震加速度時(shí)程作為地震輸入，將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單自由度或多自由度體系，根據(jù)結(jié)構(gòu)所受的慣性力、阻尼力、和恢復(fù)力建立平衡方程，計(jì)算得到每一瞬時(shí)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而完成抗震設(shè)計(jì)工作。時(shí)程分析能很好地反映結(jié)構(gòu)振動(dòng)過(guò)程中剛度變化的真實(shí)情況，計(jì)算罕遇地震下結(jié)構(gòu)的變形，動(dòng)力時(shí)程分析比反應(yīng)譜法更容易識(shí)別結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

二、有限元分析在房屋抗震設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

抗震設(shè)計(jì)的幾個(gè)階段，都可以有數(shù)值計(jì)算的介入，采用數(shù)值計(jì)算可以較為快速的得到計(jì)算結(jié)果。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，由于有限元試驗(yàn)?zāi)M方法具有一般試驗(yàn)所不具備的優(yōu)勢(shì)。它可以完全復(fù)制一個(gè)模型，觀察其在不同地震波或者加載方式下的響應(yīng)；可以方便的改變模型中的參數(shù)，觀察局部的變化對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，可以較為直觀地看到應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。時(shí)間上較實(shí)體模型試驗(yàn)要少很多，實(shí)體模型由于材料的不同、試驗(yàn)操作人員的習(xí)慣、試驗(yàn)外部條件等因素，要想獲得完全一致的模型基本上是不可能的，特別是動(dòng)態(tài)加載下的測(cè)試，試驗(yàn)的成功率不高。但是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)并不可少，它可以驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)果的正確性，為后續(xù)數(shù)值分析提供依據(jù)，并且數(shù)值分析中許多的基本參數(shù)需要來(lái)自試驗(yàn)。此外，由于數(shù)值計(jì)算在研究抗震方面的優(yōu)勢(shì)明顯，可以分析很多問(wèn)題，大幅減小試驗(yàn)次數(shù)，降低試驗(yàn)成本和人工費(fèi)用，目前很多學(xué)者采用數(shù)值計(jì)算來(lái)研究抗震問(wèn)題。例如通文獻(xiàn)[1]過(guò)ANSYS對(duì)比純框架結(jié)構(gòu)帶直板樓梯或帶折板樓梯框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，給了框架結(jié)構(gòu)的樓梯設(shè)計(jì)建議，盡量采用折板樓梯，文獻(xiàn)[2]利用ADINA建立了不同間距灌芯形式組合墻體的模型，分析組合墻體的變形破壞特征和抗震性能。文獻(xiàn)[3]利用ANSYS對(duì)某試驗(yàn)樓進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力分析，分別采用振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法，進(jìn)行地震作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及彈性變形計(jì)算，找到該結(jié)構(gòu)的破壞模式。

三、有限元抗震分析的方法和步驟

（1）根據(jù)所要研究的問(wèn)題，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。如果研究的是局部細(xì)節(jié)問(wèn)題，可以建立局部模型；如果研究的是整體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以建立整體模型。建立模型時(shí)還要考慮是使用梁?jiǎn)卧卧M(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，還是使用實(shí)體單元進(jìn)行詳細(xì)模擬。

（2）材料參數(shù)的選擇。材料參數(shù)主要包括材料的密度、彈性模量、泊松比，等，可以根據(jù)試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇，也可以查找參考資料。同時(shí)需要考慮是進(jìn)行彈性分析，還是需要進(jìn)入塑性分析，采用什么樣的屈服準(zhǔn)則等問(wèn)題。

（3）進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分要以綜合考慮分析問(wèn)題的復(fù)雜程度、結(jié)構(gòu)尺度、計(jì)算時(shí)間等，在其間取得一個(gè)平衡，在保證計(jì)算結(jié)果精度的情況下，適當(dāng)調(diào)整，適合自己的計(jì)算機(jī)分析。

（4）加載和邊界條件。根據(jù)分析的問(wèn)題，合理的選擇加載方式和邊界條件。是進(jìn)行靜力分析、模態(tài)分析、還是動(dòng)力分析等，動(dòng)力時(shí)程分析還要根據(jù)場(chǎng)地土情況選擇地震波類型和結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)等。

（5）進(jìn)行求解。選擇合理的求解器進(jìn)行求解，在大規(guī)模結(jié)構(gòu)分析時(shí)求解器的選擇對(duì)計(jì)算時(shí)間有較大影響。

（6）后處理。根據(jù)分析類型的不同和求解問(wèn)題的不同，進(jìn)行相應(yīng)的后處理。提出自己關(guān)系的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等，模態(tài)分析可以提出相應(yīng)的陣型和頻率，便于其他動(dòng)力分析參考。動(dòng)力時(shí)程分析可以提出結(jié)構(gòu)某些關(guān)鍵控制點(diǎn)的位移、應(yīng)力等隨時(shí)間的變化規(guī)律，為工程分析提供參考。

結(jié)束語(yǔ)：

總之，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析已經(jīng)慢慢進(jìn)入工程的各個(gè)領(lǐng)域。由于抗震計(jì)算的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的靜力分析方法與實(shí)際工程往往存在偏差，動(dòng)力時(shí)程分析可以較好的分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，是抗震分析的一種重要設(shè)計(jì)方法，正在逐步被人們所采用。

參考文獻(xiàn)：

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