一种刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方法

摘要

本发明公开了一种刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方法，实现该方法的具体步骤为：通过有限元软件分别建立矩形钢管框架叠层及方形截面耗能杆部件，并赋予相应的材料属性；根据土箱原型设计方案将合理分割后的各部件装配成几何模型；创建耗能杆与框架叠层间的接触，对各部件合理设置约束，完成叠层状剪切土箱三维有限元模型的建立；参照箱内试验用土物理力学性质，通过调整框架叠层外围耗能杆的数量、截面面积、刚度及其固定键的布置数量和布置方式等模型参数，可实现土箱有限元模型刚度的按需精确调节。本发明方法可为土箱原型设计优化和加工制造提供参考依据，这对开展深埋地下结构地震模拟振动台试验研究意义重大。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程抗震计算机辅助设计技术领域，尤其涉及的是适用于深埋地下结构地震模拟振动台模型试验研究的一种刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方法。

背景技术

深埋地下结构地震响应一直是岩土工程抗震设防及安全评审的关注焦点，地震模拟振动台模型试验因其成本较低、可重复和可操作性强等特有优势，广泛应用于岩土工程抗震研究，然而，室内振动台模型试验中需用到模型土箱盛土，模型土箱设计方案合理与否会直接影响到试验结果的准确性和有效性。

国内外振动台试验常用的模型土箱类型一般可分为刚性土箱、柔性土箱和叠层状剪切土箱，其中，叠层状剪切土箱通常由矩形钢管框架堆叠拼装而成，各叠层框架间放置一定数量的滚珠轴承，使得叠层框架间在振动加载方向上可自由移动；此外，该类型的土箱不仅能有效地减小地震波在箱体内壁的反射和散射作用，还能模拟土体在地震作用下的剪切变形，可较好地实现半无限地基条件；因此，叠层状剪切土箱是目前国内外振动台试验中最常用的模型土箱类型。

据相关文献报道，目前已有的叠层状剪切土箱基本只能实现叠层间的单向水平运动，然而，由于现实中地震波会引起地面多向振动，在研究深埋地下结构地震动力响应时，仅开展单向的振动台模型试验远无法满足需要；此外，现有的叠层状剪切土箱大多通过改变箱体两侧固定钢板的尺寸和数量来调节箱体刚度，导致箱体刚度变化幅度较大，难以实现箱体刚度按需精准可调；为进一步提高振动台模型土箱的使用效率，以适应箱内不同的试验用土性质，研发一种刚度可调的多向叠层状剪切土箱是十分必要的。

考虑到生产一套刚度可调的多向叠层状剪切土箱成本较高，在投入生产前对模型土箱的设计方案开展有限元数值模拟工作，通过建立数值模型计算分析以验证土箱设计的合理性，是土箱加工制作以及后续顺利开展振动台试验的重要保障；因此，本发明建立了一套刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方法，基于ABAQUS软件可实现土箱模型建立和计算分析，通过调整箱体外围耗能杆的数量、直径、刚度及其固定键布置数量和布置方式等模型参数，可按需精准调节土箱刚度，进而验证了模型土箱设计的合理性，这对后续开展深埋地下结构振动台试验研究意义重大。

发明内容

针对目前已有现有振动台试验用叠层状剪切土箱存在的缺陷和不足，为验证其设计合理性，本发明提出了一种刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方法，实现该方法首先需建立三维叠层状剪切土箱有限元模型的，具体步骤如下： 建立三维叠层状剪切土箱有限元模型

（1）建立土箱模型部件并赋予材料属性

通过ABAQUS有限元软件绘制出土箱模型各部件，其中，利用等效刚度法将耗能杆的圆形截面转换成方形截面,采用实体单元模拟矩形钢管框架和方形截面耗能杆，并对这些部件赋予相应的材料属性；

（2）合理分割各部件并进行单元模拟和网格划分

根据耗能杆方形截面边长及其固定键加固面积，分别对矩形钢管框架和耗能杆部件表面进行分割后，采用C3D8R单元类型模拟两部件，再用结构化网格划分形式将其划分为均匀的立方体网格；

（3）将各部件装配成三维剪切土箱模型

根据土箱原型设计方案，将分割完成的矩形钢管框架竖向阵列，完成钢管框架的堆叠拼装，再将分割完成的耗能杆在钢管框架外围四向阵列，最后组合装配成三维叠层状剪切土箱模型；

（4）创建耗能杆与框架叠层间的接触

通过将连接耗能杆与矩形钢管框架叠层的固定键简化为两种构件接触面之间的“Tie接触”，把耗能杆固定在框架叠层外围，同时利用“硬接触”模拟振动台试验过程中，振动荷载作用下耗能杆与框架叠层间的法向相互作用；

（5）对模型设置合适的约束类型

对各矩形钢管框架叠层设置竖向约束，以模拟框架叠层间滚珠轴承的竖向位移限制，但不对其水平方向设置约束，以实现振动荷载作用下叠层间的自由移动，此外，还需对耗能杆上下两端设置竖向约束，以限制耗能杆的竖向位移；

在上述所建立的三维叠层状剪切土箱有限元模型基础上，参考箱内试验用土物理力学性质指标，通过调整矩形钢管框架叠层外围耗能杆的数量、截面尺寸、刚度以及固定键的布置数量和布置形式等模型参数，可调节三维叠层状剪切土箱有限元模型的刚度。

调节三维叠层状剪切土箱有限元模型刚度，所述振动台剪切土箱三维有限元模型的刚度调节方法有如下五种：

（1）调整耗能杆数量

增加或减少耗能杆的数量，并相应调整矩形钢管框架表面分割面积，进而调整耗能杆和框架叠层间的“Tie接触”及“硬接触”面积；

（2）调整耗能杆截面面积

增长或缩短方形耗能杆边长，同时调整钢管框架表面分割面积，进而调整耗能杆和框架叠层间的“Tie接触”及“硬接触”面积；

（3）调整耗能杆刚度

在给部件材料属性赋值时，增大或减小耗能杆材料属性中的弹性模量参数数值，以调整耗能杆刚度；

（4）调整固定键布置数量

通过调整连接耗能杆与矩形钢管框架叠层的固定键数量，并相应地增加或减少耗能杆和叠层框架间的“Tie接触”及“硬接触”面积；

（5）调整固定键布置方式

可将固定键间隔布置为排状、梅花状等形式，再根据具体布置形式相应地调整耗能杆和框架叠层间的“Tie接触”及“硬接触”面积。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明提出的一种刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方法，根据模型土箱原型设计方案合理简化后建立了有限元数值模型，能实现地震荷载作用引起的多向耦合振动计算分析，通过调整固定在矩形钢管框架叠层外围的耗能杆数量、直径、刚度及其固定键布置数量和布置形式等模型参数，并参照箱内试验用土物理力学性质指标，可按需调节模型土箱刚度，进而提高土箱在振动台试验中的使用效率；本发明建立的三维土箱有限元数值模型计算结果准确，可为土箱原型设计优化和加工制造提供参考依据，并为后续顺利开展振动台试验提供重要保障，这对深埋地下结构抗震设计研究意义重大。

附图说明

图1为本发明方法的实现流程图；

图2为振动台叠层状剪切土箱三维有限元模型图；

图3为矩形钢管框架部件表面分割示意图；

图4为振动台叠层状剪切土箱三维有限元模型网格划分示意图；

图5为耗能杆与矩形叠层框架“Tie接触”示意图；

图6为耗能杆与矩形叠层框架“硬接触”示意图；

图7为增加耗能杆布置数量示意图；

图8为减少耗能杆布置数量示意图；

图9为耗能杆固定键排状布置示意图；

图10为耗能杆固定键数量减少后的接触布置示意图；

图11为固定键梅花状间隔布置示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提出了一种刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方法，该方法运用ABAQUS有限元软件建立叠层状剪切土箱三维有限元模型，并参照箱内试验用土物理力学性质指标，通过调整矩形钢管框架叠层外围耗能杆的数量、直径、刚度及其固定键的布置数量和布置形式等模型参数，实现剪切土箱三维有限元模型刚度的精准调节。

参照图1所示的一套刚度可调的振动台剪切土箱三维有限元建模方法，实现该方法具体包括以下步骤：

1.建立三维叠层状剪切土箱有限元模型

（1）建立土箱模型部件并赋予材料属性

根据土箱原型设计方案，通过ABAQUS有限元软件绘制出如图2和图3所示的矩形钢管框架1和方形截面耗能杆2，其中，运用等效刚度法将直径为16mm的圆形截面耗能杆等效替代为方形截面耗能杆，并采用实体单元模拟矩形钢管框架1和方形截面耗能杆2，矩形钢管框架1和方形截面耗能杆2的材料属性均使用弹塑性模型，两部件的泊松比参数数值均设置为0.3，弹性模量数值均设置为210GPa。

（2）合理分割并各部件进行单元模拟和网格划分

根据方形截面耗能杆2的截面边长及其固定键在矩形钢管框架1表面的加固区域面积，对矩形钢管框架1和方形截面耗能杆2表面进行分割，如图2和图3所示，在图3中，1-1为矩形钢管框架1表面后续设置“Tie接触”的矩形接触面，1-2则为后续设置“硬接触”的矩形接触面，在图2中与之相对应地，2-1为方形截面耗能杆2表面后续设置“Tie接触”的矩形接触面，2-2则为方形截面耗能杆2表面后续设置“硬接触”的矩形接触面，矩形钢管框1与方形截面耗能杆2均使用C3D8R单元类型进行模拟，并采用结构化网格划分方式，分别将矩形钢管框架叠层1和方形截面耗能杆2划分为均匀的立方体网格。

（3）对各部件阵列并装配成三维剪切土箱模型

根据土箱原型设计方案，首先将分割完成的矩形钢管框架1竖向阵列，堆叠拼装成18层框架叠层，随后，再将分割完成的方形截面耗能杆2在矩形钢管框架叠层外围四向阵列，此时框架叠层外围长边和短边方向分别均匀布置7根和5根方形截面耗能杆2，最后，将阵列后的各部件组合装配为图2所示的叠层状剪切土箱三维有限元模型，与之对应的模型网格划分效果图如图4所示。

（4）创建耗能杆与框架叠层之间的接触

如图5所示，将各矩形钢管框架叠层1对应位置的1-1矩形接触面和方形截面耗能杆2对应位置的1-2矩形接触面设置成“Tie接触对”，以模拟固定键对两构件间的固定连接作用，如图6所示，同样地将各矩形钢管框架叠层1对应位置的1-2矩形接触面和方形截面耗能杆2对应的2-2矩形接触面设置为“硬接触对”，以模拟振动台试验过程中矩形钢管框架叠层1与方形截面耗能杆2间的法向相互作用。

（5）对模型设置合适的约束类型

对各矩形钢管框架叠层1设置竖向约束，以模拟叠层间的滚珠轴承对各叠层的竖向位移限制，但不对其水平方向设置约束，以实现地震荷载作用下叠层间的水平向自由移动，此外，还需对方形截面耗能杆2上下两端设置竖向约束，以限制耗能杆端部的竖向位移。

至此，完成振动台剪切土箱三维有限元模型的建立。

2.调节振动台剪切土箱三维有限元模型刚度

在上述所建立的叠层状剪切土箱三维有限元模型基础上，参照箱内试验用土的物理力学性质，通过调整矩形钢管框架叠层1外围方形截面耗能杆2的数量、截面尺寸、刚度及其固定键的布置数量和布置形式等模型参数，可按需精确调节三维剪切土箱有限元模型的刚度。

（1）调整耗能杆数量

如图7所示，可将箱体长边外围的耗能杆增加至9根，短边增加至7根，相应增加方形截面耗能杆2和矩形钢管框架叠层1间的“Tie接触”及“硬接触”面积。如图8所示，可将箱体长边外围的耗能杆减少至5根，短边减少至3根，相应减少方形截面耗能杆2和矩形钢管框架叠层1间的“Tie接触”及“硬接触”面积。

（2）调整耗能杆截面面积

将方形截面耗能杆2的截面边长增加至20mm或减小至12mm，同时调整矩形钢管框架叠层1表面分割面积，进而调整耗能杆和框架叠层间的“Tie接触”及“硬接触”面积。

（3）调整耗能杆刚度

给方形截面耗能杆2部件的材料属性赋值时，增加弹性模量值至240GPa或减少至180GPa。

（4）调整固定件布置数量

如图9所示，将连接方形截面耗能杆2和矩形钢管框架叠层1间的固定键数量减少至原来的1/2，具体操作方法如图10所示，删除不设置方形截面耗能杆2固定键的矩形钢管框架叠层1表面1-3处的“Tie接触对”，但由于缺少固定键的绑定约束，土箱振动过程中1-3处方形截面耗能杆2与矩形钢管框架叠层1间的法向接触面积较布置有固定键的情况小，因此相应减少1-3处的“硬接触”面积。

（5）调整固定键布置方式

可将方形截面耗能杆2的固定键间隔布置为如图9所示的排状，以及如图11所示的梅花状等形式，再根据具体布置形式相应地调整方形截面耗能杆2和矩形钢管框架叠层1间的“Tie接触”及“硬接触”面积。

至此，按以上步骤便可实现振动台剪切土箱三维有限元模型的刚度按需精确调整，根据本发明方法所调整的土箱有限元模型参数，相应地在各激振方向上的土箱有限元模型自振频率数值模拟统计结果如表1所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。