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高层建筑抗震设计的Abaqus有限元仿真
发布时间:2021-09-22

  摘    要: 为了更加智能化地精确评估高层建筑的抗震性能,基于Abaqus软件,文中提出一种高层建筑的抗震性能评估方法。首先通过分析抗震性能采用的弹塑性评估理论,总结当前高层建筑抗震性能评估的核心方法;然后利用Abaqus有限元软件,提出针对单塔与双塔结构的高层建筑抗震性能智能分析仿真步骤。相关仿真结果表明,与传统的Satwe软件相比,Abaqus软件更接近高层建筑的重力负荷与自振周期的实测值,能够实现更加智能化的精确抗震性能评估。

  关键词:     抗震设计;高层建筑; Abaqus软件;抗震性能评估;智能分析;仿真步骤;

  Abstract: In order to more intelligently and accurately evaluate the seismic performance of high-rise buildings,a method for evaluating the seismic performance of high-rise buildings is proposed in this paper on the basis of Abaqus software. The current core methods of seismic performance evaluation of high-rise buildings are summarized by analyzing the elastoplastic evaluation theory used in seismic performance. The intelligent analysis and simulation steps for the seismic performance of highrise buildings with single-tower and double-tower structures are proposed by means of the finite element software Abaqus. The related simulation results show that,in comparison with the traditional Satwe software,Abaqus software is closer to the design values of the gravity load and vibration period of high-rise buildings,and can achieve more intelligent and accurate seismic performance evaluation.

  Keyword: seismic design; high-rise building; Abaqus software; seismic performance evaluation; intelligent analysis; simulation step;

  0、 引言

  地震灾害是一种难以预测和避免的重大自然灾害。由于我国地处环太平洋、欧亚等多个地震带的交汇处,所以在历史上发生过多次大地震[1]。1976年、2008年和2013年,唐山、汶川及雅安均发生了超过7级的大地震,大量建筑发生了严重的损坏,造成了极大的人员伤亡和经济损失。随着计算机建模与仿真分析技术的快速发展,建筑的抗震性能优化设计得到了显着的提升[2]。由于成本的不断升高,城市中的高层建筑数量也不断增加,这直接对高层建筑的抗震设计提出了更高的要求。一般而言,高层建筑的抗震性能主要由使用要求、建筑高度和抗震烈度决定,其抗震性能优化设计需要实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的目标。

  为了设计具有较高抗震性能的高层建筑,国内外学者提出了众多值得借鉴的工作[3],然而这些工作均存在一定的缺陷与不足。针对此研究现状,本文通过引入Abaqus有限元仿真软件,建立了高层建筑的单塔和双塔模型,并计算这些模型在相应地震烈度情况下的多项参数,将所得的数据结果与Satwe的分析结果及建筑结构数据的实测值进行比较,验证了Abaqus较为精确的建筑抗震性能分析仿真能力。

  1 、理论基础

  为了精确地衡量高层建筑的抗震性能,本文通过结合弹塑理论分析和Abaqus软件仿真的方法,针对高层建筑在多种地震情况的模型参数进行必要、详细的分析。一般而言,高层建筑的弹塑理论分析主要分为:静力弹塑性分析与动力弹塑性时程分析。首先,静力弹塑性分析是一种高层建筑的抗震性能评估方法,即通过估算和添加高层建筑的结构性能和水平负荷,从而大致计算高层建筑的抗震性能水平。这一分析方法的优点在于计算步骤简单,但其评估结果不够精确,存在一定的局限性。其次,动力弹塑性时程分析是一种主要应用于实际工程的建筑抗震性能评估方法,即引入建筑结构的数值计算方法和有限元模型,通过求解地震状态下的动力方程,实现抗震性能水平的衡量与计算。这种分析方法具有优秀的安全性和稳定性,但需要说明的是,该方法需耗费较大的计算资源,其内部算法空间与时间复杂度均较高。高层建筑的抗震设计通常需要综合静力弹塑性分析和动力弹塑性时程分析方法,进行抗震性能水平的评估与衡量。

  2、 Abaqus仿真

  基于静力和动力弹塑性理论分析方法,文中引入了Abaqus有限元仿真软件,提出了高层建筑的抗震性能衡量方法,从而指导实际建筑工程的抗震设计。
 

高层建筑抗震设计的Abaqus有限元仿真
 

  2.1、 基本原理

  Abaqus软件仿真主要采用有限元法的基本思想,即基于离散数学的基本理论和方法,利用泊松方程理论实现函数极值的求解。一般而言,有限元法的步骤主要由剖分、单元分析、方程求解组成。其中,剖分步骤负责将求解区域划分为有限的元素集合;单元分析步骤负责生成有限元的插值函数;方程求解步骤负责利用能量方程求解单元集合组成的未知函数方程组。

  2.2 、软件架构

  Abaqus软件是一种功能强大的模拟工程软件,通常由Standard/Explicit、CAE和其他多种特殊模块组成,其具体架构如图1所示。

  图1中,利用此软件架构,Abaqus软件具有优秀的分析能力和二次开发潜能,能够分析建筑工程实践中系统级别的多种线性与非线性固体力学问题。

  2.3、 求解模块

  在Abaqus软件的多种模块中,Standard和Explicit是两个最重要的核心求解模块,其详细介绍如下:

  1)Standard模块适用于几乎所有的静力和动力问题,主要采用隐式算法进行求解,即引入隐式的方法求解问题的方程组。对具有刚度的矩阵进行必要的求逆运算,流程如图2所示。

  2)Explicit模块常用于时间较短、瞬态非线性动力问题的求解,该模块主要采用显式的方法进行求解。在求解过程中,Explicit模块的递归推导既不需要求解方程组,也不需要计算刚度矩阵。同时,由于显式算法不存在对计算结果收敛性的检查,所以该模块在求解极度非线性复杂问题方面,具有较高的有效性。其具体求解过程如图3所示。

  图1 Abaqus软件架构图
图1 Abaqus软件架构图

  图2 Standard模块的隐式求解流程
图2 Standard模块的隐式求解流程

  2.4、 建模方法

  为了实现建筑的抗震性能仿真,Abaqus软件分别提供了图形化、文本化等建模方法,其详细介绍如下:

  1)图形化建模方法主要通过软件的CAE模块实现。利用CAE模块,Abaqus软件的用户不仅可以建立多种规则或不规则的几何模型,且具备直观的动画与图片显示功能。

  2)文本化建模方法主要通过输入关键字与数据行实现。一般而言,其输入文本架构主要由Heading、模型信息和求解信息组成。其中,Heading包含文件的标题信息,方便用户的日常核对与检查;模型信息定义文件的节点、有限元集合、材料及其他初始条件等;求解信息主要包括文件的详细分析步骤、外在负荷与约束条件等多种信息。

  图3 Explicit模块的显式求解流程
图3 Explicit模块的显式求解流程

  2.5 、仿真步骤

  为了精确地衡量高层建筑的抗震性能,Abaqus软件通过执行预处理、计算分析和结果展示3个步骤来完成,其具体细节如下:

  1)在预处理阶段,Abaqus软件在内嵌的CAD界面构建三维立体图片模型,同时生成该模型的具体文本信息。在此基础上,综合三维图片和文本说明,通过运行CAE模块得到具有模型定义、交互和分析功能的高层建筑Abaqus模型。

  2)在计算分析阶段,Abaqus软件通过运行Standard模块对文本建立的数值模型进行大范围的求解。通常若高层建筑的模型较大,则该模块的求解时间较长。

  3)在结果展示阶段,Abaqus软件通过运行CAE模块,直接读入计算分析阶段获取的结果数据;且利用图形可视化技术,将获取的数据翻译成为图片或三维动画的形式,从而直观地展示高层建筑的结构应力与底部剪力等情况。

  3、 仿真测试

  通过引入真实的高层建筑数据,本文利用Abaqus软件对该高层建筑的抗震性能进行必要的仿真与测试,其具体细节如下:

  3.1 、高层建筑

  为了验证Abaqus软件的仿真性能精度,本文选取实际的高层建筑数据。该高层建筑由两栋分别采用单塔和双塔结构体系的办公塔楼与商业裙楼组成。其中,这两种结构的办公塔楼和商业裙楼均为44层和3层地上建筑,其高度是182.6 m,主体结构的高度为177.8 m,建筑总面积约为21.2×104m2,地下的层数设置为2层。该建筑的使用寿命为50年,采用二级的安全等级,抗震类别为丙类,烈度为7度。

  3.2 、仿真结果

  利用实际的高层建筑结构数据,文中分别利用经典的Satwe软件与Abaqus软件,对单塔和双塔结构高层建筑的整体抗震性能进行必要的仿真精度对比。需要说明的是,为了避免结构在运算过程中存在明显的误差,很好地达到最后的仿真精度对比的效果,在具体仿真过程中,文中选取了同种地震波,利用相同的单塔或双塔的高层建筑结构数据,以及T1~T6等各阶模态信息,获取高层建筑在该地震波作用下的位移和扭转情况。其具体数据如表1和表2所示。

  表1 单塔结构高层建筑抗震性能计算结果
表1 单塔结构高层建筑抗震性能计算结果

  表2 双塔结构高层建筑抗震性能计算结果
表2 双塔结构高层建筑抗震性能计算结果

  由表1和表2可知,Abaqus和Satwe软件分别得到了数据差别较小的抗震性能结果,这表明两种仿真软件基本均可满足高层建筑抗震性能评估的要求。此外,由这两种软件计算结果的对比可知,Abaqus软件的各项评估位移和扭转值更小,更接近高层建筑模型的重力负荷与自振周期的实测值。这说明与经典的Satwe软件相比,Abaqus具有更加精确的计算结果,这直接证明了该软件在高层建筑抗震性能方面的优越性。

  4、 结论

  基于Abaqus软件,本文提出一种高层建筑抗震性能评估的仿真计算方法。与经典Satwe软件相比,该方法具有更加精确的评估能力。然而针对Abaqus软件的评估方法,未能实现大规模的仿真与测试,即尚未验证该软件的稳定性。在未来的工作中,将致力于解决这一问题。

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