框架结构在爆破时程下的ANSYS位移响应分析

1、框架结构在爆破时程下的 ANSYS 位移响应分析【摘 要】随着城市交通事业的迅速发展，大量地铁、 隧道的开挖爆破不可避免的对地面的建筑物造成损害，注意 到爆破振动破坏效应不仅与地表面振动强度参数有关（速 度、加速度和位移） ，同时与爆破地震波频率及持时有较大 的相关性， 爆破振动破坏效应是结构体动态破坏问题，其 对结构体的破坏应作为一个动力响应过程来分析，基于以上 问题，借助有限元软件 ANSYS 对在爆破地震波作用下的框 架结构进行动力时程分析， 并与天然地震波 EI 波下的动力响 应进行比较得出相应的结论。【关键词】城市隧道；爆破振动； ANSYS ；框架结构； 时程分析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铁这种解 决城市交通为目

6、的项目存在和发展起来的， 如日本东京地 铁、德国黑兰地铁、英国伦敦地铁等就是世界主要也是较为 出名的城市地下工程， 我国的地铁主要以广州、上海、天 津和北京为代表， 这几年来， 各大中城市， 如南京、沈 阳、深圳、重庆和西安等也相继在建或将建城市地铁项目， 可以说这一现象方兴未艾， 因为它能有效缓解城市拥挤甚 至是瘫痪的交通。近几年来， 城市地铁的相继修建， 各行 业对地下空间的相继开发， 必然存在重复开挖的现象， 对 地面的干扰较大， 影响城市地面人们的生活。图 1 双线性等向硬化模型中应力应变曲线（2）爆破震动造成的破坏则是城市地下空间发展中无 法避免的公害，隧道地铁的开挖都会伴随着爆破震

7、动，因爆 破地震动造成建筑结构失稳、开裂和变形等工程危害时有发 生。由于爆破作用的特殊性和复杂性，现有文献在爆破地震 波对周边建筑的影响方面的探讨绝大部分为定性分析或实 验分析，缺乏理论计算研究 。（3）目前，以试验结果为依托，采用有限元分析手段， 对爆破地震波对建筑结构的影响进行数值模拟成为爆破振 动研究的一个热点。 依托于一些大型有限元软件， 如 ANSYS 、 LS-DYNA 、 ABAQUS 等对结构进行建模，把振动作为动力 荷载施加给结构，研究振动作用下结构的应力分布、最大变 形、速度响应等，可以较理想的实现对结构破坏效应的分析 与预测。本文借助通用有限元软件 ANSYS 对一钢筋混

8、凝土 框架结构进行爆破地震动时程分析，并与其在天然地震动下 进行比较，分析其在位移响应的差别。图 2 结构平面布置图2. 本构模型（1）本文的弹塑性本构模型采用服从 von Mises 屈服和 相关联流动规则的双线性随动强化模型。图 1 为双线性随动 强化模型中应力应变曲线。（ 2）在 ANSYS 中双线性随动强化模型（ BKIN ）采用 Mises 屈服准则和随动强化准则，以两条直线段描述材料的 应力应变关系。通过弹性模量、屈服应力和切线模量定 义应力应变关系曲线，切线模量不能小于零，也不能大于弹 性模量。3. 有限元模型的建立3.1 工程概况。本工程位于 II 类场地，为典型钢筋混凝土的框

9、架结构， 层高 3.6m，共 12 层。结构平面布置图见图 2。本工程楼板 为现浇楼板， 各构件截面尺寸见表 1。3.2 ANSYS 有限元模型的建立。本文采用通用有限元计算软件 ANSYS 进行分析，结构 主要由框架梁、柱和楼板组成。楼板采用 SHELL63 单元模 拟，梁柱采用 BEAM188 单元模拟，框架结构有限元模型总 共有 8492 个单元， 9591 个节点，底部采用刚性约束。计算 时采用刚性楼板假定，平面坐标轴 X 、Y 如图所示，竖向坐 标轴 Z 为结构高度方向，模型如图 3 所示。图 3 ANSYS 模型图图 4 EI Centro 地震波图 5 实测爆破地震波4. 工况的

10、选取（1）将实测的爆破震动加速度时程曲线（爆破地震波） 和调整后的多遇常规地震加速度时程曲线（ EL-Centro 地震 波）分别沿短边方向（ y 向）输入建立的 ANSYS 有限元模 型，对结构进行弹性时程分析。（2）天然地震波选取 EI Centro （1940NS）将峰值加速 度值调整为 35ga1，以模拟烈度为 7 度时的多遇地震作用， 时间间隔根据试验研究的记录数据为0.02s，输入地震波持时为 012S（8.5T）。EI 波如图 4 所示。（ 3）爆破波选用图 5 所示的一组实测的典型爆破地震 波。5. 时程响应分析 阻尼采用瑞雷阻尼模型利用通用有限元软件 ANSYS 对 上述结构

11、分别为 0.797，方案二为 0.699，均符合规范要求。可见 方案二通过在剪力墙上开设结构洞或增大原有洞口，使结构 刚度减小，从而增长了周期，使结构变“柔 。但扭转效应 减小，说明结构布置更加合理。（2）结构变形方面。两方案的结构变形指标均符合规 范要求。按六度设防计算时方案一最大层间位移角才 1/4270 ， 方案二最大层间位移角 1/2782 ，较方案一有较大改进。但最 大变形均发生在风载作用时，说明六度区的风荷载对高层建 筑的影响已经超过地震荷载，设计时应将风荷载作为首要影 响因素。但在较高烈度区时，随着地震烈度的提高，剪力墙 所受的地震作用不断增大。地震荷载超越风荷载成为主要影 响因素，其中层间位移比成为主要控制指标。（3）结构内力方面。方案二的基底弯矩值和剪力值均 小于方案一的数值。因此减小结构刚度，增长周期，使地震 影响系数减小，可有效减少地震力。并且随着震级的提高， 地震作用成倍增加。同时，单从两方案的轴压比来看，剪力 墙的数量还可进一步减少以充分发挥混凝土材料的性能，提 高建筑物的经济性。5. 小结 随着建筑不断的复杂化以及建筑高度的不断提升，剪力 墙结构成为了现代建筑结构设计中较为常用的结构类型之 一，其