1、多维地震作用下大直径圆筒结构动力响应分析摘 要：本文利用 ANSYS 通用有限元软件建立了大直径圆筒结构的土体与结构共同作用下的三维弹塑性有限元模型，分析了单向输入地震波、双向输入地震波，以及三向输入地震波作用下的大直径圆筒结构的力学特性，得出了大圆筒结构的动力响应曲线，并对不同地震波作用下筒体结构的位移及应力变化规律进行了分析与总结，针对该变化规律提出了合理的建设性意见，以达到指导同类大直径圆筒结构设计与施工的目的。 关键词：多维地震；大直径圆筒；动力响应 中图分类号： P315 文献标识码： A 文章编号： 大圆筒结构是一种新型的水工结构，通常处于恶劣的海洋环境，承受各类环境荷载，其中波浪
2、荷载和地震荷载为主要荷载，而且我国是一个多地震国家，因此对地震荷载作用下大圆筒的动力响应进行计算分析十分必要。 随着人们对地震动认识的深入，地震动多维性以及结构的多维反应特点越来越引起人们的重视。对结构进行多维地震反应分析也是深刻了解结构地震响应特点的基础，同时也为后续有效抗震设计提供可靠的依据。对于大圆筒结构抗震，只考虑单向地震作用是不够的，还有必要考虑地震动的多维性以及结构反应的多维性，对大圆筒结构进行多维地震反应研究具有十分重要的实际意义。 1. 大圆筒结构动力计算基本理论 多维地震作用的时程分析比一维单独作用的时程分析复杂得多6。结构在多维地震作用下的振动方程为2： 式中:M为质量矩阵
3、， C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵， 、 、 、分别为结构的加速度、速度和位移及地面加速度向量。 2. 大圆筒结构有限元仿真分析模型的建立 2.1 有限元模型尺寸的选取 本文根据相关工程实践资料建立有限元分析模型。设定圆筒直径为12.0m，壁厚为 25cm；基础筒体高度 27.0m，其中插入土体深度为15.0m。土体平面长度和宽度方向上均取 5 倍的大圆筒直径，沿深度方向取 2 倍的埋深。 2.2 土体参数的选取 土体的本构模型采用能够较好反映土体非线性特性的 Drucker - Prager 理想弹塑性模型。具体材料参数见表 1。 表 1 土体材料参数 2.3 筒体结构与土体接触面设定 为了保证
4、模拟筒体与土体之间高度非线性的相互作用，故在土与结构的交接面处设置接触面。将刚性面圆筒作为目标面，在该面上生成目标单元，将柔性面土体表面作为接触面并生成接触单元，从而建立接触单元对（简称接触对） 。 动力接触,采用罚函数接触: 式中:k接触刚度 穿透刚度 2.4 边界条件的确定 边界条件指结构边界上所受的外加约束，施加正确的边界条件是获得正确分析结果和较高的分析精度的重要条件。考虑到筒体结构的实际受力情况，设定地基土边界四周约束为 u1u2=0，底部对三向自由度全部约束，即 u1u2u3。 3 不同地震波的选用 为了研究大圆筒结构在多维地震波作用下的动力响应，本文选取具有代表性的四类场地天津地
5、震波作为加载对象，根据天津地震波 X,Y,Z三方向地震加速度记录的时程曲线(加速度峰值已调整到地震烈度水平为8 度时规范规定的 0.2g)，采用该强震记录加速度时程作为激励输入，进行地震烈度为 8 度时的大圆筒结构地震响应数值分析。 4 不同地震波作用下相关计算结果与分析 4.1 地震波对结构响应的影响分析 本文在有限元模型中选取位于筒体顶部为研究对象，得出不同地震波输入情况下筒顶位移时程曲线，加速度时程曲线如下图 5-6 所示： 图 5 筒顶位移时程曲线 图 6 筒顶加速度响应曲线 4.2 地震波多维输入对结构响应的影响分析 同样在有限元模型中选取位于筒体顶部为研究对象，得出不同地震波输入情
6、况下筒顶位移时程曲线，加速度时程曲线如图 9-12 所示， 图 7 筒顶加速度响应曲线（三维输入） 由图 5图 7 可见，大圆筒结构在三维地震作用下，筒顶、筒中、筒底各点 X 方向的位移大于一维地震作用情况，位移分别放大58.99%、31.81%、12.92%。 比较图 6 与图 8，加速度呈现放大趋势，三维激励时加速度放大系数较一维有所增加，放大倍数在 1.02.5 之间，时间稍有滞后。 大圆筒在三维激励下的地震加速度反应，较一维激励具有明显的放大效应。一维激励加速度峰值区域较为集中，主峰突出，在三维地震激励下，大圆筒加速度区域长，峰值点模糊。 6 结语 (1) 三种地震动激励下位移时程和速
7、度时程总体变化是相似的：水平向位移沿筒体深度都是逐渐减少，筒体自由端位移变化最大；响应速度和位移无论是趋势还是幅值变化都是非常相似的,趋势由上到下是减弱的； （2) 对于规则的大圆筒结构，Tianjin 地震动双向输入结构响应通常比地震动单向输入时的动力响应要小，且对圆筒顶点、圆筒中点和圆筒底点处结构响应的影响幅度很接近；对于规则的大圆筒结构而言，地震动双向输入对大圆筒结构响应的影响幅度通常很小，一般不超过 5%。 (4)结构在三维地震动作用下的反应大于一维地震作用情况。 (5) 大圆筒在三维激励下的地震加速度反应，较一维激励具有明显的放大效应。一维激励加速度峰值区域较为集中，主峰突出，在三维
8、地震激励下，大圆筒加速度区域长，峰值点模糊。 (6)地震地面运动和结构反应的多维性对于完全规则对称的结构而言实际意义不大，因为规则对称结构在多维地震作用下的反应仍表现出明显的平面可分解性。 参 考 文 献 孙克俐，张捷.沉入式大圆筒下沉过程数值模拟D.天津：天津大学，2009 王松，喻泽红. 大型沉箱码头地震作用的非线性动力反应J. 水运工程，2010， （8）：44-51 孙哲. 复杂钢框架结构非线性整体稳定分析D. 武汉：华中科技大学,2007 邹万山. 软土桩结构抗震性能振动台试验与有限元分析D. 武汉：武汉大学，2004 钱荣.大直径圆柱壳结构动力响应及随机波浪力数值模拟研究D.天津：天津大学,2004 C P Aubney and J D Muff, Lateral undrainded resistance of suctioncaisson anchors,International Journal of Offshore and Polar Engineering,2001,11（3）：211-219. Hibbitt,Karlson & Sorensen, Inc. ABAQUS Manual-version 6.3，USA：Hibbitt, Karlson & Sorensen,Inc.,2003.
