高层建筑结构在地震作用下的动力反应仿真分析

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仿真技术在土木工程中的应用研究是土木学科新的研究热点。越来越多的研究表明,仿真技术除了能节省大量的试验费用外,更重要的是仿真技术能很好地模拟出一些结构试验无法得到的建筑物、构筑物的变形或受力过程,尤其是对于那些超长、超大的建筑物、构筑物。利用仿真技术,本文以ANSYS为开发平台,编制了SIMUSHIS软件,仿真分析了框架-筒体高层结构基于时程分析法的地震响应过程,取得了良好的效果。本文具体的研究思路和研究内容概括如下:  首先,在参阅了大量国内外有关土木工程的仿真技术文献和比较了通用的仿真软件优缺点的基础上,选择ANSYS作为本文的仿真平台,并以框架-筒体高层结构为仿真对象。  其次,选择一处于Ⅱ类场地、总高度为54m、层高3m的框架-筒体结构作为仿真对象。将结构简化为底部固支、在各楼层处具有集中质量的竖向串联多自由度振动体系,并假设结构基底的地震动与自由地表的地震动一致,仿真了刚性地基条件下框架-筒体高层结构的动力响应时程,得到了相应的加速度、速度、位移曲线。  然后,为达到良好的仿真效果,在分析土与结构相互作用机理以及对结构地震反应的影响的基础上,通过将土体对地基的约束模拟为三向弹簧,建立结构与自由场耦合作用体系的运动方程,仿真了考虑土与结构之间的相互作用条件下框架-筒体高层结构的动力响应时程,对结构在地震荷载作用下的反应进行了模态分析、时程分析及瞬态分析,得到了相应的加速度、速度、位移曲线。  最后,通过上述研究,得到如下几点结论:  1)仿真分析方法能很好地模拟结构的地震反应,仿真结果与试验结果相接近。  2)考虑地基-土-结构体系动力相互作用,将地基简化为弹簧-阻尼-质量系统,以三维土弹簧来模拟SSI效应,对高层建筑结构在地震荷载作用下的响应进行仿真再现,分析结果更接近于实际情况。  3)考虑土-结构相互作用,得到几点认识:土体-结构相互作用使得结构、地基土动力特性均发生了改变。对于地基土,改变了地基频谱组成,使接近结构自振频率的分量得到加强;对于结构,由于地基的柔性,使得结构基本周期延长,结构体系自振频率减小;结构在地震作用下层间位移和层间速度减小,结构绝对位移、绝对加速度和P-Δ效应引起的附加内力增大。  4)SIMUSHIS仿真系统主要架构不仅适用于地震作用,也同样可用于其他随机荷载如风荷载作用下的动力响应分析。本文分析时输入地震波,当用于风荷载作用下的响应分析时将地震波换为脉动风荷载即可。
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