ANSYS時程分析中的阻尼比

2017-04-26  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

1.《高規》,《抗規》和《混規》全稱是什么?

在設計院里,工程師們將《高層建筑混凝土結構技術規程》簡稱《高規》,將《建筑抗震設計規范》簡稱《抗規》,《混凝土結構設計規范》簡稱《混規》。

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2.在這些規范中常提到時程分析,什么是時程分析?

時程分析法是20世紀60年代逐步發展起來的抗震分析方法。用以進行超高層建筑的抗震分析和工程抗震研究等。至80年代,已成為多數國家抗震設計規范或規程的分析方法之一。

“時程分析法”是由結構基本運動方程輸入地震加速度記錄進行積分,求得整個時間歷程內結構地震作用效應的一種結構動力計算方法,也為國際通用的動力分析方法。

“時程分析法”常作為計算高層或超高層的一種(補充計算)方法,也就是說滿足了規范要求的時候是可以不用它計算結構的。規范規定:對于特別不規則的建筑、甲類建筑及超過一定高度的高層建筑,宜采用時程分析法進行補充計算。所以有較多設計人員對應用時程分析法進行抗震設計感到生疏。近年來,隨著高層建筑和復雜結構的發展,時程分析在工程中的應用也越來越廣泛了。

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3.在這些規范中常提到阻尼比,什么是阻尼比?

《預應力混凝土結構抗震設計規程》JGJ140-2004第2.1.1條定義:阻尼比是阻尼振動的實際阻力與產生臨界阻尼所需阻力的比值。

當阻力使振動物體剛好能不作周期性振動而又能最快地回到平衡位置的情況,稱為臨界阻尼。

可見,阻尼比越大,結構越“剛”,阻尼比越小,結構越“柔”。因此隔震減震設計中常常采用設置阻尼器的方式。

阻尼比是無單位量綱,表示了結構在受激振后振動的衰減形式。結構常見的阻尼比都在0~1之間。

• 阻尼比ξ=0,稱為無阻尼;

• 阻尼比0<ξ<1,稱為欠阻尼;

• 阻尼比ξ=1,稱為臨界阻尼;

• 阻尼比ξ>1,稱為過阻尼。

下圖為不同阻尼比ξ條件下的位移時程曲線,具有如下特征:

• 無阻尼振動(阻尼比ξ=0),振幅不衰減。

• 欠阻尼振動(阻尼比0<ξ<1),振幅逐漸衰減,也就是恢復到平衡狀態的時間超過一個周期。

• 臨界阻尼振動(阻尼比ξ=1),振動到一個周期,振幅剛好衰減到0,也就是恢復到平衡狀態的時間剛好為一個周期。

• 過阻尼振動(阻尼比ξ>1),因為過阻尼的時候阻尼力比臨界阻尼時候大,趨于平衡狀態的時候總的恢復力小,自然表現出來的就是衰減比臨界阻尼的要慢。

時程曲線來源:瞬態動力學專題-單自由度系統自由振動ANSYS分析。

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4.規范中常用阻尼比取值歸納

《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ 3-2010,簡稱《高規》

11.3.5 影響結構阻尼比的因素很多,因此準確確定結構的阻尼比是一件非常困難的事情。試驗研究及工程實踐表明,一般帶填充墻的高層鋼結構的阻尼比為0.02左右,鋼筋混凝土結構的阻尼比為0.05左右,且隨著建筑高度的增加,阻尼比有不斷減小的趨勢。鋼-混凝土混合結構的阻尼比應介于兩者之間,考慮到鋼-混凝土混合結構抗側剛度主要來自混凝土核心筒,故阻尼比取為0.04,偏向于混凝土結構。風荷載作用下,結構的塑性變形一般較設防烈度地震作用下為小,故抗風設計時的阻尼比應比抗震設計時為小,阻尼比可根據房屋高度和結構形式選取不同的值;結構高度越高阻尼比越小,采用的風載荷回歸期越短,其阻尼比取值越小。一般情況下,風載荷作用時結構樓層位移和承載力驗算時阻尼比可取為0.02~0.04,結構頂部加速度驗算時的阻尼比可取為0.01~0.05。(第319頁)

《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010,簡稱《抗規》

5.1.5除有專門規定外,建筑結構的阻尼比應取0.05。(建筑結構是指普通鋼筋混凝土結構)(第34頁)

8.2.2 鋼結構抗震計算的阻尼比宜符合下列規定:

1 多遇地震下的計算,高度不大于50m時可取0.04;高度大于50m且小于200m時,可取0.03;高度不小于200m時,宜取0.02。

2 當偏心支撐框架部分承擔的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的50%時,其阻尼比可比本條1款相應增加0.005。

3 在罕遇地震下的彈塑性分析,阻尼比可取0.05。(第99頁)

《混凝土結構設計規范》GB 50010-2010,簡稱《混規》

11.8.3 預應力混凝土框架結構的阻尼比宜取0.03;在框架-剪力墻結構、框架-核心筒結構及板柱-剪力墻結構中,當僅采用預應力混凝土梁或板時,阻尼比應取0.05。(第198頁)

《構筑物抗震設計規范》GB 50191-2012

5.1.9 構筑物的阻尼比除本規范另有規定外,其余均可按0.05采用。(第37頁)

7.2.1 鋼框排架結構的阻尼比可取0.03。(第81頁)

8.2.3 鍋爐鋼結構在多遇地震下的阻尼比,對于單機容量小于25MW的輕型或重型爐墻鍋爐可采用0.05;對于單機容量不大于200MW的懸吊式鍋爐,可采用0.04;對于單機容量大于200MW的懸吊鍋爐,可采用0.03;罕遇地震下的阻尼比可采用0.05。(第111頁)

9.2.3 鋼筒倉在多遇地震下的阻尼比可取0.03,在罕遇地震下的阻尼比可取0.04。(第119頁)

10.2.3 鋼筋混凝土井架的阻尼比可采用0.05;鋼井架多遇地震下的阻尼比可采用0.03,在罕遇地震下的阻尼比可取0.04。(第129頁)

11.2.3 鋼筋混凝土井塔的阻尼比可采用0.05;鋼井塔在多遇地震下的阻尼比可采用0.03,在罕遇地震下的阻尼比可采用0.04。(第137頁)

13.2.7 電視塔阻尼比可按表13.2.7選取(第155頁)

《預應力混凝土結構抗震設計規程》JGJ 140-2004

3.1.2 以預應力框架結構、板柱-框架結構作為主要抗側力體系的建筑結構,其阻尼比應取0.03。注2中規定:當在框架-剪力墻結構、框架-核心筒結構及板柱-剪力墻結構中,采用預應力混凝土梁或板時,仍應按現行國家標準《建筑抗震設計規范》GB50011取阻尼比為0.05的地震影響系數曲線,確定水平地震力。(第5頁)

當結構中僅在局部采用預應力梁或板時,則應適用《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第5.1.5條,按普通鋼筋混凝土結構采用阻尼比0.05。如果所采用的計算軟件允許對構件分別定義其阻尼比,可以將預應力構件的阻尼比定義為0.03,結構整體阻尼比仍應取0.05。

5.在ANSYS時程分析中,阻尼比怎么設置?

瞬態動力學分析,亦稱時間歷程分析,簡稱時程分析。

還是以“單自由度系統自由振動ANSYS分析”為例,進行說明。

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一、問題描述

一個單自由度系統的有阻尼自由振動,質量m = 0.5 kg,剛度k =5 kN/m,阻尼比ξ = 0.02。初始向下受拉力,使彈簧伸長0.2m,然后突然釋放,計算位移隨時程響應情況。

二、理論分析

單自由度彈簧質量系統的固有頻率f、圓頻率ω和固有周期T關系式

阻尼比ξ與阻尼系數c、質量阻尼系數α、剛度阻尼系數β、對數衰減率δ之間的關系式為

以上兩組公式對于復雜結構,仍然適合。只是固有頻率的計算,需要進行ANSYS的模態分析,計算出固有頻率。

根據以上公式,求得固有頻率f = 15.915Hz,固有周期T = 0.0628s。

阻尼比ξ = 0.02時,阻尼系數c = 2,質量阻尼系數α= 4,剛度阻尼系數β= 4e-4,對數衰減率δ= 0.125688846。

三、ANSYS步驟

經過反復ANSYS數值模擬實驗,總結出以下7種輸入相關阻尼的等效方法。

(1)阻尼系數c = 2

適合于單元阻尼,比如本例子COMBIN40單元在實常數中輸入。

GUI:Main Menu>Preprocessor> Real Constants> Add→ Type 1→ OK→ Real Constant Set No.:1,彈簧剛度K1:5000,阻尼系數C:2,質量M:0.5→ OK→ Close。

APDL:R,1,5000,2,0.5 !彈簧剛度、阻尼系數和質量

(2)材料阻尼,質量阻尼系數α = 4

GUI:Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ Structural→ Damping→ Mass Multiplier →ALPD:4 → OK。

APDL:MP,ALPD,1,4 !等同于α阻尼

(3)材料阻尼,剛度阻尼系數β = 4e-4

GUI:Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ Structural→ Damping→ Stiffness Multiplier →BETD:4e-4 → OK。

APDL:MP,BETD,1,4e-4 !等同于β阻尼

(4)材料阻尼,剛度阻尼系數β = 4e-4

GUI:沒找到菜單,可直接通過APDL輸入。

APDL:MP,DAMP,1,4e-4 !材料阻尼,等同于β阻尼

(5)全局性的阻尼,質量阻尼系數α = 4

GUI:Main Menu> Solution> Analysis Type> Sol’n Controls→Transient→ Mass matrix multiplier (ALPHA):4 → OK。

APDL:ALPHAD,4

(6)全局性的阻尼,剛度阻尼系數β = 4e-4

GUI:Main Menu> Solution> Analysis Type> Sol’n Controls→Transient→ Stiffness matrix multiplier (BETA):4e-4 → OK。

APDL:BETAD,4e-4

(7)全局性的阻尼,對數衰減率δ = 0.125688846

GUI:Main Menu> Solution> Analysis Type> Sol’n Controls→Transient→ Amplitude decay GAMMA:0.125688846 → OK。

APDL:TINTP,0.125688846

全局性的阻尼包括Rayleigh阻尼(α阻尼和β阻尼)和對數衰減率,對數衰減率是一種數值阻尼。

當模型由許多不同材料部件或構件組成時,各部分的材料阻尼相差甚遠,需要考慮阻尼的局部差異。為了考慮這種情況,ANSYS采用材料阻尼作為一種附加手段。

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