【JY】淺析時程分析中的阻尼設置

【JY】淺析時程分析中的阻尼設置的圖1

(非線性)直接積分法、快速非線性分析(FNA)法等時程分析方法中的阻尼設置尤為重要,以SAP2000為例,進行拋磚引玉,各類軟件做法也大同小異,可借鑒與學習。

模態阻尼

模態阻尼是用非耦合的阻尼來模擬結構中的阻尼。每一模態有一個阻尼比 damp,需滿足:

模態阻尼有 2 個不同的來源:來自荷載工況的模態阻尼、來自材料的復合模態阻尼,并保證從這些來源的阻尼被加在一起,一般軟件都自動確認此和小于 1。

模態工況:【JY】淺析時程分析中的阻尼設置的圖2來自荷載工況的模態阻尼1:【JY】淺析時程分析中的阻尼設置的圖3來自荷載工況的模態阻尼2:【JY】淺析時程分析中的阻尼設置的圖4來自材料的復合模態阻尼:【JY】淺析時程分析中的阻尼設置的圖5

首先對于非線性分析前,所有通過模態工況得到的模態是必須是恒定的 ,因此對于不同的模態點獲得的阻尼比在工況設定中總是確定的。并且在非線性工況上可指定在一系列頻率或周期點的阻尼。

模態阻尼構成的阻尼矩陣,是荷載工況得到的模態阻尼疊加材料屬性上所獲得的模態阻尼進行換算組裝,值得注意的是:材料模態阻尼比是為了區分鋼-混凝土結構或土-結構等,確定不同材料阻尼比時進行分析,并且若是定義了材料阻尼比,則需要考慮是否取消系統阻尼比,避免重復計算。

FNA法中需要注意的是:

模態阻尼的假定是相對于總剛度矩陣 K 的,其包括了來自非線性單元的有效剛度。此時會影響模態值,從而影響對結構產生的阻尼影響。

如:隔震結構,采用屈服后剛度填寫單元有效剛度、則得到的模態點是屈服后周期點,在這些模態點上賦予阻尼比。

理論上最合理的做法是預估本非線性工況下隔震單元的最大變形,并計算得到此時的有效剛度進行填寫,得到的模態點進行賦予阻尼比。但事實上,我們在分析前,并無法精確預估隔震單元的最大變形。

建議可采用屈服后剛度填寫單元有效剛度,系統阻尼比對結構產生的影響,遠小于隔震單元自身的耗能影響。

【JY】基于Ramberg-Osgood本構模型的雙線性計算分析

直接積分法需要注意的是:

個人非常不建議在非線性直接積分法計算中采用模態阻尼,除非是為了和FNA進行對比驗證!因為在非線性直接積分法中,模態阻尼產生的阻尼矩陣是滿秩的

滿秩完全密集的矩陣對于計算速度將帶來極大的影響,并且直接積分時程分析中的總自由度數幾乎都比所提供的模態數量要大得多,帶來的問題就是高頻成分缺乏阻尼抑制,極容易帶來計算不收斂。通??梢栽僭黾觿偠缺壤枘徇M行抑制,(但如果這樣做,不如直接采用瑞利阻尼),通常建議是:

如果模態阻尼影響的最高階模態頻率為??,可以指定頻率??的剛度比例阻尼為 0.2%,指定頻率10??為 2%,這樣給不受模態阻尼衰減的高頻提供阻尼。

比例阻尼 (瑞利阻尼)

瑞利阻尼通常用于直接積分法中,其將阻尼矩陣強行解耦,使得矩陣密度和質量矩陣、剛度矩陣在同個量級。這種便捷的方式,使得直接積分法計算速度加快(相對采用模態阻尼的直接積分法)。相關推文可看:

【JY】結構瑞利阻尼與經濟訂貨模型

上述文章已經詳細闡述,對于瑞利阻尼不過多贅述。比例阻尼的來源依然是材料阻尼、工況定義的系統阻尼,并且模擬直接積分使用的阻尼比值不允許超過 1。

【JY】淺析時程分析中的阻尼設置的圖6來自材料的比例阻尼:【JY】淺析時程分析中的阻尼設置的圖7來自荷載工況的比例阻尼:【JY】淺析時程分析中的阻尼設置的圖8

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