针对场地地震反应分析的ANSYS二次开发

收稿日期:2004-01-10;　修订日期:2004-03-17

基金项目:重庆市科委资助(7549)

作者简介:王一功(1978-),男,硕士研究生,主要从事结构抗震方面研究.

文章编号:100021301(2004)022*******

针对场地地震反应分析的ANSYS 二次开发

王一功,杨佑发

(重庆大学土木工程学院,重庆400045)

摘要:以往的场地地震反应分析程序往往缺乏很好的前后处理,难以应用于实际工程。本文利用通用

有限元分析程序ANSYS 进行二次开发,引入多次透射边界以适用于场地地震反应分析。

关键词:ANSYS ;场地地震反应;多次透射边界

中图分类号:P315.96 文献标识码:A

A secondary development of ANSYS for site earthquake response

WAN G Y i 2gong ,YAN G Y ou 2fa

(Faculty of Civil Engineering ,Chongqing University ,Chongqing 400045,China )

Abstract :Most programs capable of analysis of site earthquake response don ′t include pre 2and post 2processing ,so that they can ′t be good at engineering practice.A secondary development is applied to reinforce ANSYS with multi 2transmitting boundary in order to be applicable to analysis of site earthquake response.

K ey w ords :ANSYS ;site earthquake response ;multi 2transmitting boundary

1　引言

建筑场地情况对房屋的抗震性能有着明显的影响,特别是各种特殊地形往往会加重邻近结构的地震破坏。但由于场地情况千差万别,欲归纳出统一规律指导抗震设计目前还有困难。最好的办法是针对特定的场地、房屋进行专门的分析研究,以提供设计建议。但目前绝大多数进行场地地震反应分析或上下部共同作用分析的程序都缺乏很好的前后处理,难以直接用于工程实际。本文利用普遍使用的通用有限元程序AN 2SYS 进行APDL 层次上的二次开发,使之适用于场地地震反应分析,并进而应用于上下部共同作用分析。2　人工边界的引入

场地地震反应分析与单一上部结构的地震反应分析最大的不同之处在于场地地震反应分析必须考虑场地的无限性。对场地进行有限元分析,必然要截取出有限区域进行分析,但该区域的底面及两侧本来还存在着地基,这些地基向外延伸很远,可认为是无限远。在实际情况下,地震波由边界内传到边界时会向外传播而不返回,因此需要引入人工边界,以模拟这种现象。如果不引入人工边界则需要将边界距离取得尽量远,但这将受计算机容量的限制,这种方法一般只在验证人工边界准确度时作为对比对象采用。人工边界处理的好坏对计算结果的精度有着极大的影响。

第24卷第2期

2004年4月地　震　工　程　与　工　程　振　动EARTHQUA KE EN GIN EERIN G AND EN GIN EERIN G V IBRA TION Vol.24,No.2Apr.,2004

图1

本文在ANSYS 中引入了多次透射边界。多次透射边界是我国学者在

80年代提出的一种人工边界。其特点是精度高,与有限元方法结合方便。

其基本原理简述如下:

如图1所示,假设波位于人工边界所围计算域内,向边界上一点Q 入射

的波沿x 轴的视传播可一般表示为

u (t ,x )=

∑i =1u i (t ,x )(1)

其中u i (t ,x )=u 3i (c i t -x cos θi )。u (t ,x )表示波场总位移矢量的某一分

量,它由一系列沿x 轴传播的行波u 3i (c i t -x cos θi )组成。每一行波u (t ,

x )的透射公式为:

u i (t +Δt ,x )≈

∑N j =1(-

1)j +1C N j u i [t -(j -1)Δt ,x -ja i c i Δt ](2)其中N 为透射阶次。引入人工透射波速c A =a i c i 。可得统一透射公式

u i (t +Δt ,x )≈

∑N j =1(-1)j +1C N j u i [t -(j -1)Δt ,x -jc A Δt ](3)

为消除漂移失稳,引入修正系数r 2得

u i (t +Δt ,x )≈

∑N

j =1(-1)j +1C N j u i [t -(j -1)Δt ,x -jc A Δt ]/(1+r 2)j (0Φr 2Φ0.05)(4)

但公式(4)模拟的仅仅是外行波,在地震反应分析中,需要将外行波与非外行波分离,其中非外行波包括内行波和平行人工边界传播的波。设分离出的外行波位移为u s ,全波位移为u ,参考波场位移为u r 。外行波位移可以写为:

u s =u -u r

(5)在工程计算中,一般取入射地震波作为底边界的参考波场,取自由波场为侧边界的参考波场。自由波场的计算现在主要有两种方法:一种是采用两步法,先在频域内计算侧边界节点的自由场运动时程,然后再以文件或数组的形式传送到时域的边界处理中;另一种方法是直接在时域针对局部区域进行自由波场计算,并进行波场分离[7]。

考虑到ANSYS 的具体计算情况,采用第二种自由波场计算方法虽然更具有先进性,但在实现时有一定困难,因此本文采用第一种方法进行自由波场计算。

下面给出部分实现二次透射边界的APDL 程序。

……

3DO ,I ,1,WN

!左侧人工边界

3DO ,J ,1,LNN

3GET ,DL X (J ,2),NODE ,NL (J ,2),U ,X

DL X (J ,3)=DL XB (J )

DL X (J ,1)=23DL X (J ,2)/1.04-DL X (J ,3)/1.04332+U FX (J ,I +2)-23U FX (J ,I +1)/1.04+U FX (J ,I )/1.04

3GET ,DL XB (J ),NODE ,NL (J ,3),U ,X

D ,NL (J ,1),U X ,DL X (J ,1)

!3

3GET ,DL Y (J ,2),NODE ,NL (J ,2),U ,Y

DL Y (J ,3)=DL Y B (J )

DL Y (J ,1)=23DL Y (J ,2)/1.04-DL Y (J ,3)/1.04332+U F Y (J ,I +2)-23U F Y (J ,I +1)/1.04+U F Y (J ,I )/1.043GET ,DL Y B (J ),NODE ,NL (J ,3),U ,Y

D ,NL (J ,1),U Y ,DL Y (J ,1)

3ENDDO

!右侧人工边界

342期 王一功等:针对场地地震反应分析的ANSYS 二次开发