专业论文 | 基于ABAQUS的建筑结构时程分析
作者：聂文超
01
工程背景
大楼晃动的原因是什么呢，有人说是地震，也有人说是风振动引起的，还有人说是大楼内的大量机械振动引起的。设计院的工程师在进行建筑结构分析设计时，不可能对每栋大楼进行试验，一般是先进行模态分析获取频率和振型，按照归一法处理各阶模态并按照由小到大的方法列出各个频率或周期和振型（当外界荷载与某一阶频率相近时会发生共振现象，振动形态即为与此时频率对应的振型），在此基础上设计人员开展动力学分析获取在动力荷载作用下的内力，位移时程曲线，为结构设计提供数据支持。
动力学分析一般有显式分析和隐式分析两类方法，隐式分析相比显式分析的最大好处是可以做到无条件稳定，隐式算法对线性系统可以不用考虑时间步长的选择，从而避免了显式算法为了满足稳定性要求，需要选择过小的时间步长所带来的计算成本。本文将给大家介绍隐式分析在高层建筑中的应用。
02
有限元模型
ABAQUS/Standard采用的隐式算法H.H.T算法(Hilber, Hughes, and Taylor (1977)),是Newmark-β 的延伸。现有一7度区的小区主体结构，30层剪力墙住宅，标准层层高3.0m，总高为90.0m，其平面图如下所示：
在YJK或第三方软件建模完成后导入至ABAQUS如下图所示（为保证两个软件模型的一致性，可以对比两个模型的质量，和基本周期及振动形态，ABAQUS的结果数据在dat文件查找）：
导入模型后，在ABAQUS中的主要参数设置如下：
1. 材料采用混凝土，阻尼参数：α=0.38，β=0.006；
2. 分析步：先进行静力分析，再进行隐式分析；静力分析时间可取为1e-05，隐式分析时长为输入地震波的时间，增量步长同地震波数据，一般取为0.02，其它数据默认；
3. 荷载输入：分别输入不同方向的地震波，放大系数为《抗规》中表5.1.2-2所采用的加速度峰值除以地震波数据的最大值。
本文选择帝谷波ELCENTRO作为地震动输入，其图形如下图所示：
03
有限元计算结果
分别输入不同方向下的地震波数据后得到各个方向的计算指标：
X向底部剪力时程曲线如下图所示：
X向顶点（下图）的位移时程曲线如下图所示：
位移角数值如下图所示：
以上分析可以看出，位移角为1/2225，满足1/1000的要求；
最大水平位移为0.08m，远小于0.3的要求。
Y向的计算结果与X向一样的处理方法：输入地震波数据，提取基底剪力与位移时程曲线，后续工作主要为与振型分解法的结果进行比较，当大于反应谱法结果时需要进行内力及配筋的调整。
04
结 论
本文从ABAQUS的隐式分析算法原理，软件设置中的关键参数理解，国家规范及实际案例这四大方面介绍了H.H.T算法在高层建筑结构分析中的应用，对实际复杂建筑结构分析中具有很好借鉴作用，同时可以作为超限结构分析的补充方法。
