Abaqus建筑结构抗震有限元分析原理与案例实操（附视频教程）

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作者 | 寒江雪仿真秀专栏作者

首发 | 仿真秀APP

导读：结构动力学是研究结构在动力荷载作用下的振动问题的力学分支。在动力荷载作用下，其一要考虑惯性力影响，其二考虑位移、内力、速度、加速度均随时间变化而变化。一般情况下，结构在受到动力荷载时，其响应往往与同样大小的静力荷载的响应有所区别。

对于建筑结构来说，其在正常使用过程中，可能受到的的动力荷载通常包含风荷载和地震作用等。对于结构在地震作用下的响应，自20世纪开始，国内外已经发展了一系列针对结构在地震作用下的评估方法及软件。我国的《建筑抗震设计规范》规定结构在地震作用下的响应评估可以通过三种方法进行评估：底部剪力法、振型分解反应谱法和静力弹塑性分析及动力时程法。

一、底部剪力法

底部剪力法是一种将建筑等效为杆质量点的计算模型，具体来说，是将各个楼层的荷载等效质量集中在相应的质量点上，楼层的竖向构件提供的水平刚度则等效为竖杆的刚度。规范指出，高度不超过40m，以剪切变形为主且质量质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。

从底部剪力法的适用范围可知，其主要适用于及建筑高度较低的建筑物，而以剪切变形为主，一般是指结构体系为框架结构为主的建筑物。因此这种评估方法适用范围较窄，但是其计算方法相对简单，比较适合于手算。当然，很多建筑结构的专业软件，如midas/gen，sap2000等都提供了底部剪力法的计算,在仿真秀官网有一些相关视频教程，同样，如果采用通用有限元软件，同样可以经过一定的手算配合通用有限元软件实现底部剪力法的计算。

建筑抗震规范同时指出，除底部剪力法适用的结构外，建筑结构宜采用振型分解反应谱法。因此，振型分解反应谱法是一种适用范围极强的评估方法，大部分建筑结构（可能超过95%）都采用振型分解反应谱法进行地震作用的评估。该方法利用单自由度体系的加速度设计反应谱和振型分解的原理，求解各阶振型对应的等效地震作用，然后按照一定的组合原则对各阶振型的地震作用效应进行组合，从而得到多自由度体系的地震作用效应。因此，振型分解反应谱法实际上包含以下两方面的含义：振型分解，主要是指通过模态分析分解多自由度的振型；反应谱指的是分析中输入的是反应谱，实际上可以认为是加速度与频率/周期的关系，因此属于一种以模态分析为基础的叠加方法，一般只适用于线性分析。

下面以4层框架为例，介绍模态分析的主要过程：

（1）在abaqus建立几何模型如下：

（2）定义材料，梁截面，壳截面，梁截面方位等属性并指定给相关几何：

（3）创建类型为frequency类型的step，求解器可采用lancozs，指定特征值阶数。

（4）对模型底部定义相应的固定边界条件；

（5）划分网格，提交job，求解；

（6）最终模态分析结果振型如下：

以上即是模态分析的过程，在上述过程的基础上，可继续进行振型分解反应谱分析。如果对本文模型感兴趣，请在文章末尾点赞和在看，截图发到***，并回复 【Abaqus建筑结构抗震】 即可在48小时内获得模型资料等。

二、静力学弹塑性分析与动力时程分析

静力弹塑性分析，是一种结构在地震作用下产生非线性响应的评估方法，一般很少用于多遇地震下的验算，经常用于结构在罕遇地震作用下的响应的评估，具体是通过水平推覆得到结构的荷载位移曲线，再经过一定的后处理方式达到评估结构在地震下的动力弹塑性响应。一般需要考虑材料非线性和几何非线性。

动力时程分析，指的是直接对结构输入加速度时程，计算结构在该输入下的具体响应，该响应既可以是线性响应，也可以是结构进入弹塑性阶段的非线性响应。一般常见的有叠加法和逐步法两种计算方式。叠加法只适用于动力弹性时程分析，逐步法适用于弹性时程和弹塑性时程分析。对于大部分超限高层建筑来说，动力时程分析几乎必不可少，在以前，国内超过400m的高层建筑，如上海中心，平安国际金融中心等超高层建筑，在结构设计/超限审查阶段都采用abaqus进行了动力弹塑性分析以评估其在罕遇地震下的非线性响应。

建筑结构在地震下的响应评估是结构设计中的重要组成部分，目前，常用的建筑结构抗震分析软件有PKPM，YJK，Sap2000，Midas，Perform 3d，Abaqus和Sausage等。实际上，用什么软件进行评估固然存在效率的高低，但是实际上也只是工具选择上的区别，真正需要弄懂的，并不只是软件操作，相关的分析理论也需要一定的了解，这些在仿真秀官网和APP都有相关视频教程。

三、Abaqus建筑结构抗震

为了帮助工程师朋友和理工科学子更好的理解和掌握建筑结构抗震有限元分析，自2022年6月起，我在仿真秀平台原创了精品课《Abaqus建筑结构抗震有限元分析3讲》，主要针对建筑结构在地震下的响应进行了一些分析理论的总结和使用abaqus进行抗震分析的操作步骤。以下是我的课程安排：

1、用户得到

学习使用Abaqus进行建筑结构抗震有限元分析。
主要学习建筑结构抗震基本理论，模态分析，振型分解反应谱分析与基于振型叠加的动力弹性时程分析；静力弹塑性分析与动力弹塑性时程分析。
学完本课程系统掌握建筑结构抗震分析基本理论和实际操作全部流程
为付费用户提供订阅用户交流群和知识圈答疑服务

2、适合哪些人学习

建筑结构工程师
建筑结构抗震分析研究方向的学生，研究者

（完）

作者：寒江雪仿真秀专栏作者

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来源：仿真秀App

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首次发布时间：2022-07-07