CN108038262A - 一种考虑sssi效应的楼层反应谱简化计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核建筑设计技术领域，涉及一种考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法。所述的简化计算方法结合通用有限元程序和SSI分析程序两种有限元程序，一方面利用通用有限元程序中的超单元将建筑群中的部分结构单元装配成一个单元；另一方面，通过动力特征矩阵的格式转换，使SSI分析程序能够直接读取通用有限元程序的单元矩阵信息，并利用SSI分析程序的计算内核，进行考虑SSI效应的楼层反应谱计算。本发明的考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法能够真实、高效、快捷的考虑SSSI效应，在保证模型一致性和准确性的基础上计算结果符合实际，且计算成本低。

Description

一种考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法
技术领域
本发明属于核建筑设计技术领域，涉及一种考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法。
背景技术
在核电厂的抗震分析中，楼层反应谱是楼层上设备振动输入的重要依据，为了反映厂址条件的复杂性及结构实际受力情形，计算分析通常需考虑土-结构相互作用(SSI效应)。结构-土-结构相互作用(SSSI效应)属于SSI效应的一个分支领域，它研究在外荷载或地震作用下，相邻建筑物间的动力反应。对于核电站这样的大型结构，各厂房体量较大，且相互毗邻，单纯的研究单个厂房的SSI效应已不能真实反映结构的动力响应，因此研究SSSI效应对研究核电厂厂房动力响应及设备响应都有重要的意义，而也正是得益于核电站的大规模建设，SSSI效应的研究得到了快速发展。
对于SSSI效应的研究，最准确的方式是在原有SSI效应的理论、实践基础上，建立建筑结构群模型，以考虑结构间的相互作用。在以往的核电厂SSSI效应研究中，除了少量试验研究以外，通常建立各厂房的集中质量杆单元进行数值模拟，它的优点是模型简单，计算速度快，但由于楼板刚化的假定，计算结构和实际结构还是有一定的差异，并且对于埋置较深的结构无法考虑其埋置效应。
建立厂房的三维模型能够解决上述缺陷，但在现有的计算机水平下，采用三维模型进行SSSI分析计算量大、耗时长，对计算机硬件和分析软件都存在挑战。为了能够准确的得到楼层反应谱，有必要研究一种能够考虑SSSI效应的计算方法，使其不仅符合实际，同时能够节省计算成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法，以能够真实、高效、快捷的考虑SSSI效应，在保证模型一致性和准确性的基础上计算结果符合实际，且计算成本低。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法，所述的简化计算方法结合通用有限元程序和SSI分析程序两种有限元程序，一方面利用通用有限元程序中的超单元将建筑群中的部分结构单元装配成一个单元，以减少模型自由度数，节省计算成本；另一方面，通过动力特征矩阵的格式转换，使SSI分析程序能够直接读取通用有限元程序的单元矩阵信息，并利用SSI分析程序的计算内核，进行考虑SSI效应的楼层反应谱计算。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法，其中所述的通用有限元程序为ANSYS软件。
ANSYS软件是目前工程界常用的集结构、流体和电磁等分析于一体的商用有限元分析软件。ANSYS软件基于有限元单元法，将构件离散化为单元，从而进行单元分析、单元集成、设置约束、计算求解。软件主要包括三部分模块：前处理模块、分析计算模块、后处理模块。本申请主要利用其前处理模块建立模型。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法，其中所述的动力特征矩阵的格式转换通过编制ANSYS软件宏命令实现。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法，其中所述的动力特征矩阵包括超单元主自由度刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法，其中所述的SSI分析程序采用专用软件。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法，其中所述的SSI分析程序采用的专用软件为ACS SASSI软件。
ACS SASSI软件为美国Ghiocel Predictive Technologies,INC.公司开发，是在国际和国内核电领域中广泛采用的三维抗震分析软件，申请人已购买其正版使用权限。ACSSASSI软件采用空间子结构法处理土-结构相互作用问题，上部结构离散成有限单元，地基介质假定为水平无限成层、粘弹性土层下卧均匀弹性半空间，软件采用复频响应分析方法对上部结构与地基组成的整体有限元系统进行动力时程分析。
本发明的有益效果在于，本发明的考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法能够真实、高效、快捷的考虑SSSI效应，在保证模型一致性和准确性的基础上计算结果符合实际，且计算成本低。
附图说明
图1为示例性的本发明的考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法的计算步骤流程图。
图2为具体实施方式中举例的计算流程所建立的全三维有限元模型。
图3为具体实施方式中举例的计算流程所形成的简化的三维模型。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
示例性的本发明的考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法的原理如下。
(1)为了考虑相邻结构间的相互作用，需在建模时将影响范围内的所有结构一起建模并进行SSI求解，这样会导致模型的节点数量巨大，从而由于过多的自由度导致计算时间过长。在目前有限的计算机资源下，可以通过子结构法的方式解决计算成本过大的问题。子结构法就是将结构模型中的一部分单元用矩阵凝聚为一个假想单元的过程，这个单一的矩阵单元在通用有限元程序ANSYS软件中称为超单元。超单元中与结构其它单元联结的结点称为交界面结点，超单元其它结点称为内部结点。超单元的生成就是凝聚内部结点的自由度，得到交界面结点自由度的过程，在ANSYS软件中，可通过子结构分析求解控制选项来控制输出超单元主自由度刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵，并将其保存在超单元矩阵文件中。
(2)通过编制ANSYS宏文件将结构非超单元部分模型和超单元部分的刚度信息、质量信息和阻尼信息转换生成ACS SASSI软件能识别的矩阵格式，在ACS SASSI软件中直接读取该矩阵信息，代入SSI分析系统的系统方程中进行求解。
利用ACS SASSI进行SSI分析的主要步骤为：
1)基于特定波场，求解自由场地的响应问题；
2)求解相互作用节点的阻抗矩阵；
3)进行结构分析，建立复频刚度矩阵；
4)合成运动方程，求解上部结构响应。
示例性的本发明的考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法的计算流程如图1所示。下面结合图1和某核岛厂房实例对计算流程进行详细的描述。
(1)建立建筑群的ANSYS整体模型：采用ANSYS软件建立核岛厂房全三维有限元模型，如图2所示。图2所示模型中，核岛的所有厂房(包括整体底板、反应堆厂房、燃料厂房、电气厂房、核辅助厂房等)均采用三维单元模拟，根据结构的不同特性，选用实体单元、壳单元、质量单元表征不同位置构件的物理、力学特性。
(2)凝聚超单元，形成两种模型文件：将反应堆厂房及底板以外的周边厂房凝聚，通过ANSYS软件的子结构分析求解控制选项进行子结构分析，生成超单元，形成简化的三维模型，如图3所示。图3所示模型中，超单元显示如图中网格线部分，反应堆厂房及底板部分仍保留原有三维模型为非超单元部分，超单元部分与非超单元部分的交界面节点将两部分连为一个整体。超单元主自由度的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵保存在超单元矩阵文件sub中，除超单元以外的其它模型单元信息保存在模型文件cdb中。
(3)提取超单元及非超单元矩阵信息、合成整体模型矩阵文件：运行编制的ANSYS宏文件，将超单元部分sub文件及非超单元部分cdb文件中的单元矩阵信息分别转化为ACSSASSI能够识别的单元矩阵coo文件；进入ACS SASSI软件，将两部分单元的矩阵coo文件合并，生成整体模型的矩阵coo文件。
(4)生成计算文件：在步骤(3)进行的同时，进入ACS SASSI软件，添加必要的计算信息，如地基特性、输入运动及输入位置等，形成ACS SASSI计算的完整文件。
(5)计算过程：在ACS SASSI软件中，依次运行SSI分析所需的模块(如：SITE、POINT、HOUSEFSA、ANALYS等)，生成运动方程相关信息。其中SITE模块求解自由场地响应问题，POINT模块求解阻抗矩阵，HOUSEFSA计算模型单元的的质量和刚度矩阵，此时，软件将读取步骤(3)中合成的整体结构模型的矩阵coo文件，形成相关矩阵信息，用于系统运动方程的装配。ANALYS模块形成运动方程并进行求解，得到最终的SSI响应分析结果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种考虑SSSI效应的楼层反应谱简化计算方法，其特征在于：所述的简化计算方法结合通用有限元程序和SSI分析程序两种有限元程序，一方面利用通用有限元程序中的超单元将建筑群中的部分结构单元装配成一个单元；另一方面，通过动力特征矩阵的格式转换，使SSI分析程序能够直接读取通用有限元程序的单元矩阵信息，并利用SSI分析程序的计算内核，进行考虑SSI效应的楼层反应谱计算。
2.根据权利要求1所述的简化计算方法，其特征在于：所述的通用有限元程序为ANSYS软件。
3.根据权利要求2所述的简化计算方法，其特征在于：所述的动力特征矩阵的格式转换通过编制ANSYS软件宏命令实现。
4.根据权利要求1所述的简化计算方法，其特征在于：所述的动力特征矩阵包括超单元主自由度刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。
5.根据权利要求1所述的简化计算方法，其特征在于：所述的SSI分析程序采用专用软件。
6.根据权利要求5所述的简化计算方法，其特征在于：所述的SSI分析程序采用的专用软件为ACS SASSI软件。
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