1、钢框架结构抗震仿真分析1一、引言时程分析法是对结构动力方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法。时程分析法将地震波按时段进行数值化后，输入结构体系的振动微分方程，采用直接积分法计算出结构在整个强震时域中的振动状态全过程，给出各个时刻各个杆件的内力和变形。现已成为多数国家抗震设计规范或规程的分析方法之一。二、有限元软件 ABAQUS简介ABAQUS 是美国 ABAQUS 公司（原名 HKS 公司即Hibbitt，KarlssonSorensen,INC2005 年被法国达索公司收购，2007 年公司更名为 SIMULIA） 。ABAQUS 已成为国际上最先进的大型通用有限元力学分析软件之一。A
2、BAQUS 是一套功能强大的进行工程模拟的有限元软件。其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS 拥有 CAE 工业领域最为广泛的材料模型，它可以模拟绝大部分工程材料的线形和非线形行为，可以进行结构的静态和动态分析，如应力、变形、振动、热传导以及对流等。也可以模拟广泛的材料性能，如金属、橡胶、塑料、弹性泡沫等，而且任何一种材料都可以和任何一种单元或复合材料的层一起用于任何合适的分析类型。三、模型建立与求解1、PartCreate Part：Name：Ban，3D，Deformable， Shell ，Planar，输入坐标创建一个 18X9m 的壳部件，作为混凝土
3、楼板部件；Create Part：Name：Zhu，3D，Deformable， Wire ，Planar，输入坐标创建一个长 3m 线部件，作为柱部件；Create Part：Name：Liang，3D，Deformable， Wire ，Planar，输入坐标创建一个长 6X3m，宽 4.5X2m 的线网部件，作为梁网部件；2、 SectionCreate Material：Name：steel，General，Density 7800；Mechanical，Elasticity，Youngs Modulus 2.1e11，Poisson Ratio 0.3；Create Material
4、：Name：concrete，General，Density 2500；Mechanical，Elasticity，Youngs Modulus 3e10，Poisson Ratio 0.3。Create Profile：分别创建梁剖面 Liang Profile 和柱剖面 Zhu Profile为 0.3X0.3m，厚 0.1m 和 0.6X0.6m，厚 0.1m。Create Section：板截面：Name：Ban Section，Shell，Homogeneous，Shell Thickness Value：0.1，Material：concrete；梁截面：Name：Liang Se
5、ction，Profile name：Liang Profile，Material name：steel；柱截面：Name：Zhu Section，Profile name：Zhu Profile，Material name：steel。Assign Section：分别把创建好的板、梁和柱截面指派到板、梁、柱部件钢框架结构抗震仿真分析2上，梁和柱截面指派时同时指派部件方向。3、AssemblyCreate Instance：选择板、梁、柱部件，用 Dependent 方式生成实体；将柱子旋转，使其与板和梁平面垂直；阵列柱子 4X3=12 根，将 12 根柱子分别移到梁网交点处，完成一层框架的
6、构造；将构造好的一层框架阵列成 3X2=6 个框架层（阵列时，注意各个框架层间的距离应该稍大，这样利于平移框架） ，平移各层框架层，完成 6 层框架模型的构造。4、StepCreate Step：Step-1，General，Static General，重力分析，结果作为时程分析数据；Step-2，General，Dynamic Implicit，Time period：10。5、InteractionCreate constraint：Tie，选择板、梁、柱接触点、面，绑定。6、LoadCreate Boundary Condition：Name：BC-1，Step：Step-2，Mech
7、anical，Displacement/Rotation，选择柱低端，约束住柱低端除 X 方向外的 5 个自由度；钢框架结构抗震仿真分析3Create Boundary Condition：Name：BC-2，Step：Step-2，Mechanical，Acceleration/Angular acceleration,选择柱低端，确定；勾选 A1:1（加速度单位 m/s） ，在 Amplitude 中创建一个Name:ac,Type:Tabular,Time span:Toal time,复制 EICentro 数据到Amplitude Data，OK，Amplitude 右框下拉选择刚才
8、建好的 ac 加速度，OK。7、MeshSeed Part Instance；Assign Mesh Controls：Quard，Free，Advancing front；Assign Element Type：Standard，Linear，Reduced Integration，壳单元 S4R；Mesh Part；最后 Verify Mesh 检查网格是否错误。8、JobCreate Job；Write Input（输出 inp 文件）,Submit；打开 Monitor 观察是否有错误、警报；点击 Result 进入可视化窗口 Visualization。9、Visualization
9、Result，Step/Frame 分析步/帧，查看各时程变形情况；Tools，XY Data，Create,ODB field output，plot 顶层楼板位移时程曲线，各层楼板加速度时程曲线，各层楼板位移曲线。钢框架结构抗震仿真分析410、数据后处理在 Visualization，XY Data Manager 中点击 Edit，输出各层楼板位移数据到 Excel 中，利用 Excel：相邻两层的位移作差后得到层间相对位移，画出以 Time 为横轴、层间相对位移为纵轴画出各层层间位移时程曲线；然后层间相对位移除以层高得到层间位移角，画出以 Time 为横轴、层间位移角为纵轴画出各层层间
10、位移角时程曲线。四、结果展示钢框架内力云图 1钢框架内力云图 2钢框架结构抗震仿真分析5钢框架内力云图 3顶层楼板位移时程曲线底端加速度时程曲线钢框架结构抗震仿真分析6一层楼板加速度时程曲线二层楼板加速度时程曲线三层楼板加速度时程曲线钢框架结构抗震仿真分析7四层楼板加速度时程曲线五层楼板加速度时程曲线顶层楼板加速度时程曲线钢框架结构抗震仿真分析8底端与一层楼板层间位移一层与二层楼板层间位移二层与三层楼板层间位移钢框架结构抗震仿真分析9三层与四层楼板层间位移四层与五层楼板层间位移五层与顶层楼板层间位移钢框架结构抗震仿真分析10底端与一层楼板层间位移角一层与二层楼板层间位移角二层与三层楼板层间位移
11、角钢框架结构抗震仿真分析11三层与四层楼板层间位移角四层与五层楼板层间位移角五层与六层楼板层间位移角五、总结与分析通过分析数据：钢框架结构抗震仿真分析12该钢框架模型顶层楼板最大位移发生在 9.904615s 时，值为 0.521279；根据钢结构设计规范:多层框架结构柱顶位移 H/500，对于该模型为18m/500=0.036m，顶层楼板最大位移超出规范要求。该钢框架模型最大加速度：底端发生在 2.13928s,值为 3.40922，一层楼板发生在 4.53904s，值为 7.02656，二层楼板发生在 2.64224s，值为7.58957，三层楼板发生在 3.22835s，值为 8.610
12、59，四层楼板发生在4.78149s，值为 11.1651，五层楼板发生在 4.78149s，值为 12.4091，顶层楼板发生在 4.53904，值为 13.9828。该钢框架模型层间位移：底端与一层楼板最大值为 0.006104，一层与二层楼板最大值为 0.025158，二层与三层楼板最大值为 0.016052，三层与四层楼板最大值为 0.021461，四层与五层楼板最大值为 0.012741，五层与六层楼板最大值为 0.016035；根据钢结构设计规范:多层框架结构层间位移限值h/400，对于该模型为 3m/400=0.0.0075m，最大层间位移超出规范要求。该钢框架模型层间位移角：底
13、端与一层楼板最大值为 0.002035，一层与二层楼板最大值为 0.008386，二层与三层楼板最大值为 0.005356，三层与四层楼板最大值为 0.007154，四层与五层楼板最大值为 0.004247，五层与六层楼板最大值为 0.005345；根据建筑抗震设计规范GB50011-2010 第 5.5.1 条规定：“地震作用下，多、高层钢结构弹性层间位移角限值为 1/250”，最大层间位移角超出规范要求。由以上分析，顶层楼板位移、层间位移、层间位移角均超出规范要求，作者对此结果进行了简单分析，造成此结果可能原因有：没有对时程地震波EICentro 波进行系数调整，以满足抗震规范；超过加速度
14、时程的加速度没有按规范将其最大值调整为 0.35m/s；对于输入的地震加速度时程曲线没有满足抗震规范，要满足地震动三要素：频谱特性、有效峰值和持续时间要符合规定的要求。对于此钢框架结构，其抗侧刚度不足，应通过增加柱截面、梁高和梁宽等措施提高结构抗侧刚度。以上分析可能不够准确，望读者批评指出。钢框架结构抗震仿真分析13参考文献1 王勖成，有限单元法.北京:清华大学出版社，20032 马晓峰，ABAQUS6.11 有限元分析从入门到精通. 北京：清华出版社，20133 曹金凤等，ABAQUS 有限元分析常见问题与解答. 北京：机械工业出版社，20104 徐珂.ABAQUS 建筑结构分析应用.北京:
15、中国建筑出版社出版社，2013钢框架结构抗震仿真分析14命令流*Heading* Job name: gkjdzfzfx Model name: Model-1* Generated by: Abaqus/CAE 6.13-1*Preprint, echo=NO, model=NO, history=NO, contact=NO* PARTS*Part, name=Ban*Node1, 9., 4.5, 0.2, 7.19999981, 4.5, 0.3, 5.4000001, 4.5, 0.4, 3.5999999, 4.5, 0.5, 1.79999995, 4.5, 0.6, 0., 4
16、.5, 0.7, -1.79999995, 4.5, 0.8, -3.5999999, 4.5, 0.9, -5.4000001, 4.5, 0.10, -7.19999981, 4.5, 0.11, -9., 4.5, 0.12, 9., 2.70000005, 0.13, 7.19999981, 2.70000005, 0.14, 5.4000001, 2.70000005, 0.15, 3.5999999, 2.70000005, 0.16, 1.79999995, 2.70000005, 0.17, 0., 2.70000005, 0.钢框架结构抗震仿真分析1518, -1.79999
17、995, 2.70000005, 0.19, -3.5999999, 2.70000005, 0.20, -5.4000001, 2.70000005, 0.21, -7.19999981, 2.70000005, 0.22, -9., 2.70000005, 0.23, 9., 0.899999976, 0.24, 7.19999981, 0.899999976, 0.25, 5.4000001, 0.899999976, 0.26, 3.5999999, 0.899999976, 0.27, 1.79999995, 0.899999976, 0.28, 0., 0.899999976, 0
18、.29, -1.79999995, 0.899999976, 0.30, -3.5999999, 0.899999976, 0.31, -5.4000001, 0.899999976, 0.32, -7.19999981, 0.899999976, 0.33, -9., 0.899999976, 0.34, 9., -0.899999976, 0.35, 7.19999981, -0.899999976, 0.36, 5.4000001, -0.899999976, 0.37, 3.5999999, -0.899999976, 0.38, 1.79999995, -0.899999976, 0
19、.39, 0., -0.899999976, 0.40, -1.79999995, -0.899999976, 0.41, -3.5999999, -0.899999976, 0.42, -5.4000001, -0.899999976, 0.43, -7.19999981, -0.899999976, 0.44, -9., -0.899999976, 0.45, 9., -2.70000005, 0.46, 7.19999981, -2.70000005, 0.47, 5.4000001, -2.70000005, 0.48, 3.5999999, -2.70000005, 0.49, 1.
20、79999995, -2.70000005, 0.50, 0., -2.70000005, 0.51, -1.79999995, -2.70000005, 0.52, -3.5999999, -2.70000005, 0.53, -5.4000001, -2.70000005, 0.54, -7.19999981, -2.70000005, 0.55, -9., -2.70000005, 0.56, 9., -4.5, 0.57, 7.19999981, -4.5, 0.58, 5.4000001, -4.5, 0.59, 3.5999999, -4.5, 0.60, 1.79999995,
21、-4.5, 0.61, 0., -4.5, 0.钢框架结构抗震仿真分析1662, -1.79999995, -4.5, 0.63, -3.5999999, -4.5, 0.64, -5.4000001, -4.5, 0.65, -7.19999981, -4.5, 0.66, -9., -4.5, 0.*Element, type=S4R1, 1, 2, 13, 122, 2, 3, 14, 133, 3, 4, 15, 144, 4, 5, 16, 155, 5, 6, 17, 166, 6, 7, 18, 177, 7, 8, 19, 188, 8, 9, 20, 199, 9, 10,
22、21, 2010, 10, 11, 22, 2111, 12, 13, 24, 2312, 13, 14, 25, 2413, 14, 15, 26, 2514, 15, 16, 27, 2615, 16, 17, 28, 2716, 17, 18, 29, 2817, 18, 19, 30, 2918, 19, 20, 31, 3019, 20, 21, 32, 3120, 21, 22, 33, 3221, 23, 24, 35, 3422, 24, 25, 36, 3523, 25, 26, 37, 3624, 26, 27, 38, 3725, 27, 28, 39, 3826, 28
23、, 29, 40, 3927, 29, 30, 41, 4028, 30, 31, 42, 4129, 31, 32, 43, 4230, 32, 33, 44, 4331, 34, 35, 46, 4532, 35, 36, 47, 4633, 36, 37, 48, 4734, 37, 38, 49, 4835, 38, 39, 50, 4936, 39, 40, 51, 5037, 40, 41, 52, 5138, 41, 42, 53, 52钢框架结构抗震仿真分析1739, 42, 43, 54, 5340, 43, 44, 55, 5441, 45, 46, 57, 5642, 4
24、6, 47, 58, 5743, 47, 48, 59, 5844, 48, 49, 60, 5945, 49, 50, 61, 6046, 50, 51, 62, 6147, 51, 52, 63, 6248, 52, 53, 64, 6349, 53, 54, 65, 6450, 54, 55, 66, 65*Nset, nset=Set-1, generate1, 66, 1*Elset, elset=Set-1, generate1, 50, 1*Nset, nset=Set-4, generate1, 66, 1*Elset, elset=Set-4, generate1, 50,
25、1*Nset, nset=Set-5, generate1, 66, 1*Elset, elset=Set-5, generate1, 50, 1* Section: Ban Section*Shell Section, elset=Set-5, material=concrete0.1, 5*End Part* *Part, name=Liang*Node1, -3., 4.5, 0.2, 3., 4.5, 0.3, 9., 4.5, 0.4, 9., 0., 0.5, 9., -4.5, 0.6, 3., -4.5, 0.7, -3., -4.5, 0.8, -9., -4.5, 0.9,
26、 -9., 0., 0.10, -3., 0., 0.11, 3., 0., 0.12, -9., 4.5, 0.13, -2.4000001, 4.5, 0.钢框架结构抗震仿真分析1814, -1.79999995, 4.5, 0.15, -1.20000005, 4.5, 0.16, -0.600000024, 4.5, 0.17, 0., 4.5, 0.18, 0.600000024, 4.5, 0.19, 1.20000005, 4.5, 0.20, 1.79999995, 4.5, 0.21, 2.4000001, 4.5, 0.22, 3.5999999, 4.5, 0.23, 4
27、.19999981, 4.5, 0.24, 4.80000019, 4.5, 0.25, 5.4000001, 4.5, 0.26, 6., 4.5, 0.27, 6.5999999, 4.5, 0.28, 7.19999981, 4.5, 0.29, 7.80000019, 4.5, 0.30, 8.39999962, 4.5, 0.31, 9., 3.9375, 0.32, 9., 3.375, 0.33, 9., 2.8125, 0.34, 9., 2.25, 0.35, 9., 1.6875, 0.36, 9., 1.125, 0.37, 9., 0.5625, 0.38, 9., -
28、0.5625, 0.39, 9., -1.125, 0.40, 9., -1.6875, 0.41, 9., -2.25, 0.42, 9., -2.8125, 0.43, 9., -3.375, 0.44, 9., -3.9375, 0.45, 8.39999962, -4.5, 0.46, 7.80000019, -4.5, 0.47, 7.19999981, -4.5, 0.48, 6.5999999, -4.5, 0.49, 6., -4.5, 0.50, 5.4000001, -4.5, 0.51, 4.80000019, -4.5, 0.52, 4.19999981, -4.5,
29、0.53, 3.5999999, -4.5, 0.54, 2.4000001, -4.5, 0.55, 1.79999995, -4.5, 0.56, 1.20000005, -4.5, 0.57, 0.600000024, -4.5, 0.钢框架结构抗震仿真分析1958, 0., -4.5, 0.59, -0.600000024, -4.5, 0.60, -1.20000005, -4.5, 0.61, -1.79999995, -4.5, 0.62, -2.4000001, -4.5, 0.63, -3.5999999, -4.5, 0.64, -4.19999981, -4.5, 0.6
30、5, -4.80000019, -4.5, 0.66, -5.4000001, -4.5, 0.67, -6., -4.5, 0.68, -6.5999999, -4.5, 0.69, -7.19999981, -4.5, 0.70, -7.80000019, -4.5, 0.71, -8.39999962, -4.5, 0.72, -9., -0.5625, 0.73, -9., -1.125, 0.74, -9., -1.6875, 0.75, -9., -2.25, 0.76, -9., -2.8125, 0.77, -9., -3.375, 0.78, -9., -3.9375, 0.
31、79, -3.5999999, 0., 0.80, -4.19999981, 0., 0.81, -4.80000019, 0., 0.82, -5.4000001, 0., 0.83, -6., 0., 0.84, -6.5999999, 0., 0.85, -7.19999981, 0., 0.86, -7.80000019, 0., 0.87, -8.39999962, 0., 0.88, -3., -3.9375, 0.89, -3., -3.375, 0.90, -3., -2.8125, 0.91, -3., -2.25, 0.92, -3., -1.6875, 0.93, -3.
32、, -1.125, 0.94, -3., -0.5625, 0.95, -3., 0.5625, 0.96, -3., 1.125, 0.97, -3., 1.6875, 0.98, -3., 2.25, 0.99, -3., 2.8125, 0.100, -3., 3.375, 0.101, -3., 3.9375, 0.钢框架结构抗震仿真分析20102, 2.4000001, 0., 0.103, 1.79999995, 0., 0.104, 1.20000005, 0., 0.105, 0.600000024, 0., 0.106, 0., 0., 0.107, -0.600000024
33、, 0., 0.108, -1.20000005, 0., 0.109, -1.79999995, 0., 0.110, -2.4000001, 0., 0.111, 3., -3.9375, 0.112, 3., -3.375, 0.113, 3., -2.8125, 0.114, 3., -2.25, 0.115, 3., -1.6875, 0.116, 3., -1.125, 0.117, 3., -0.5625, 0.118, 3., 0.5625, 0.119, 3., 1.125, 0.120, 3., 1.6875, 0.121, 3., 2.25, 0.122, 3., 2.8
34、125, 0.123, 3., 3.375, 0.124, 3., 3.9375, 0.125, 8.39999962, 0., 0.126, 7.80000019, 0., 0.127, 7.19999981, 0., 0.128, 6.5999999, 0., 0.129, 6., 0., 0.130, 5.4000001, 0., 0.131, 4.80000019, 0., 0.132, 4.19999981, 0., 0.133, 3.5999999, 0., 0.134, -9., 3.9375, 0.135, -9., 3.375, 0.136, -9., 2.8125, 0.1
35、37, -9., 2.25, 0.138, -9., 1.6875, 0.139, -9., 1.125, 0.140, -9., 0.5625, 0.141, -8.39999962, 4.5, 0.142, -7.80000019, 4.5, 0.143, -7.19999981, 4.5, 0.144, -6.5999999, 4.5, 0.145, -6., 4.5, 0.钢框架结构抗震仿真分析21146, -5.4000001, 4.5, 0.147, -4.80000019, 4.5, 0.148, -4.19999981, 4.5, 0.149, -3.5999999, 4.5,
36、 0.*Element, type=B311, 1, 132, 13, 143, 14, 154, 15, 165, 16, 176, 17, 187, 18, 198, 19, 209, 20, 2110, 21, 211, 2, 2212, 22, 2313, 23, 2414, 24, 2515, 25, 2616, 26, 2717, 27, 2818, 28, 2919, 29, 3020, 30, 321, 3, 3122, 31, 3223, 32, 3324, 33, 3425, 34, 3526, 35, 3627, 36, 3728, 37, 429, 4, 3830, 3
37、8, 3931, 39, 4032, 40, 4133, 41, 4234, 42, 4335, 43, 4436, 44, 537, 5, 4538, 45, 4639, 46, 47钢框架结构抗震仿真分析2240, 47, 4841, 48, 4942, 49, 5043, 50, 5144, 51, 5245, 52, 5346, 53, 647, 6, 5448, 54, 5549, 55, 5650, 56, 5751, 57, 5852, 58, 5953, 59, 6054, 60, 6155, 61, 6256, 62, 757, 7, 6358, 63, 6459, 64,
38、6560, 65, 6661, 66, 6762, 67, 6863, 68, 6964, 69, 7065, 70, 7166, 71, 867, 9, 7268, 72, 7369, 73, 7470, 74, 7571, 75, 7672, 76, 7773, 77, 7874, 78, 875, 10, 7976, 79, 8077, 80, 8178, 81, 8279, 82, 8380, 83, 8481, 84, 8582, 85, 8683, 86, 87钢框架结构抗震仿真分析2384, 87, 985, 7, 8886, 88, 8987, 89, 9088, 90, 91
39、89, 91, 9290, 92, 9391, 93, 9492, 94, 1093, 10, 9594, 95, 9695, 96, 9796, 97, 9897, 98, 9998, 99, 10099, 100, 101100, 101, 1101, 11, 102102, 102, 103103, 103, 104104, 104, 105105, 105, 106106, 106, 107107, 107, 108108, 108, 109109, 109, 110110, 110, 10111, 6, 111112, 111, 112113, 112, 113114, 113, 1
40、14115, 114, 115116, 115, 116117, 116, 117118, 117, 11119, 11, 118120, 118, 119121, 119, 120122, 120, 121123, 121, 122124, 122, 123125, 123, 124126, 124, 2127, 4, 125钢框架结构抗震仿真分析24128, 125, 126129, 126, 127130, 127, 128131, 128, 129132, 129, 130133, 130, 131134, 131, 132135, 132, 133136, 133, 11137, 1
41、2, 134138, 134, 135139, 135, 136140, 136, 137141, 137, 138142, 138, 139143, 139, 140144, 140, 9145, 12, 141146, 141, 142147, 142, 143148, 143, 144149, 144, 145150, 145, 146151, 146, 147152, 147, 148153, 148, 149154, 149, 1*Nset, nset=Set-1, generate1, 149, 1*Elset, elset=Set-1, generate1, 154, 1*Nse
42、t, nset=Set-3, generate1, 149, 1*Elset, elset=Set-3, generate1, 154, 1*Nset, nset=Set-4, generate1, 149, 1*Elset, elset=Set-4, generate1, 154, 1* Section: Liang Section Profile: Liang Profile*Beam Section, elset=Set-4, material=steel, temperature=GRADIENTS, section=BOX0.3, 0.3, 0.01, 0.01, 0.01, 0.010.,0.,-1.*End Part钢框架结构抗震仿真分析25* *Part, name=Zhu*Node1, 9., -4.5, 0.2, 9.,
