解答:
“問題描述”中結果異常的現象,是由于模態(tài)工況中設置求解的模態(tài)數量不足引起的。
模型(圖2)中底部放置橡膠隔震支座,其中鉛芯橡膠支座(兩個水平方向考慮非線性屬性)共82個,以及4個阻尼器(軸向考慮非線性屬性)。由此可知,該模型的連接單元非線性自由度數量為168(即82*2+4*1)。
圖3 模態(tài)工況設置
模態(tài)數量取值應大于結構本身的自由度數(NS)與連接單元非線性自由度數(NLink)及考慮的荷載數(NLoad)之和;其中, NS一般取為樓層數的3倍;初始荷載向量考慮DEAD、 LIVE工況時,一個荷載工況對應一個模態(tài)即可,則NLoad取為2。
按照上述原則,初次估算的模態(tài)數量N0=3*9+168+2=197,取為200。而原模型中模態(tài)工況中考慮的模態(tài)數量最大值為100(圖3),當模態(tài)求解數量小于連接單元非線性自由度時,很難得到靜力荷載質量參與系數達到100%的結果,故無法保證分析結果的準確性。那么,模態(tài)數量取何值時才能保證分析結果的準確性?
唯一的處理方法是,基于初次估算的N0,逐級增加模態(tài)數進行試算,即取多組模態(tài)數N0、N1、N2、N3、N4(該數組是以NLink為公差的等差數列,即N1= N0+NLink、N2= N0+2*NLink、N3...以此類推),直到求得穩(wěn)定的結果。Ritz向量法的好處就是隨著模態(tài)數量的增加結果逐漸逼近真實值,這一點對于特征值向量法不一定適用。
基于上述方法,對于用戶模型取四組模態(tài)數200、368、536、704進行試算,觀察不同模態(tài)數量時的計算結果(本例以時程工況下X向基底反力作為觀測量)。
圖4 結果對比圖
從圖4可以直觀地了解,隨著模態(tài)數量的增加,底部剪力的結果逐步趨于穩(wěn)定,當模態(tài)數量取536時結果已收斂。原則上講模態(tài)數量越多結果越精確,但計算耗時也越長。用戶需平衡計算精度與計算效率。對于該模型,建議取模態(tài)數量為536,滿足工程精度的要求即可。
完成分析后,查看荷載參與系數(圖5),命令路徑:【顯示】>【表格】>【結構輸出】>【Model Information】>【Table: Model Load
Participation Ratios】。
a)模態(tài)數取536 b)模態(tài)數取200
圖5 不同模態(tài)數量下的荷載參與系數
如圖5 a),當模態(tài)數量取536時,靜力荷載參與系數均達到100%,連接單元的動力荷載參與系數均值達到70%以上,滿足要求。對比模態(tài)數量取200時,如圖5 b),部分連接單元對應的靜力荷載參與系數未達到100%,并且連接單元的動力荷載參與系數非常低,遠達不到要求的水平。這也印證了圖4呈現的模態(tài)數量與計算結果的關系。
當Ritz模態(tài)數量取536時,時程工況下X向的基底反力和柱底剪力結果如下,沒有出現原始問題中描述的底層柱底剪力大于基底剪力的現象。
分析結果
|
Fx/kN
|
底層柱底剪力
|
10202
|
水平向基底反力
|
10598
|
小結:
基于FNA法的隔震時程分析,必須考慮足夠的模態(tài)數量,使之滿足荷載參與系數達到一定數量的要求,來確保 FNA 法計算結果的準確性。模態(tài)數量不足將導致非真實的分析結果。模態(tài)數量的取值,應注意以下幾點:
1. 初次計算的模態(tài)數量N0≥NS+ NLink + NLoad
式中NS為結構本身的自由度數,可按3倍的樓層數量估算;NLink為連接單元非線性自由度數;NLoad為考慮的荷載數(例如恒載、活載)。注意,Ritz模態(tài)工況中要包絡所有的激勵荷載自由度。
2.判斷模態(tài)數量是否足夠,可查看荷載參與系數。一般要求靜力荷載參與系數全部達到100%,動力荷載參與系數應盡可能大。
靜力荷載參與系數用于衡量計算的模態(tài)表達給定靜力荷載響應的優(yōu)劣程度。100%的靜力荷載參與系數,代表這些模態(tài)能夠準確地表達給定的靜力荷載。
類似地,動力荷載參與系數衡量計算的模態(tài)表達給定動力荷載響應的優(yōu)劣程度,它是質量參與系數概念的延伸。當動力荷載質量參與系數達到100%時,代表計算的模態(tài)可以準確地捕捉到結構的高頻響應。但多數情況很難得到100%的結果,也沒有必要。一般要求動力荷載參與系數盡量達到較高水平即可。
3. 采用逐步增加模態(tài)數量的方式多次試算,可以驗證模態(tài)數量是否足夠。即基于初次估算模態(tài)數量N0,逐級(按NLink的倍數)增加模態(tài)數進行多次試算,直到求得穩(wěn)定的結果。