多维地震作用下大直径圆筒结构动力响应分析
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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。
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， [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u1＝u2=0，底部对三向自由度全部约束，即u1＝u2＝u3。
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1.0—2.5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
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