最近有很多同學聯系我，問到如何數值模擬三維隔震支座。假期加個班，做個算例分析。

1. 包含的內容

（1）算例模型命令流

（2）三維隔震支座命令流

（3）計算過程excel文件

（4）建筑隔震橡膠支座規范

（5）常用隔震支座的設計參數

2. 進階內容（需另付費，有需要可聯系）

（1）隔震支座在ANSYS中的批量建模方法，預計時間2024年02月

（2）如何在ABAQUS中模擬非線性單位隔震支座（連接器單元），預計時間2024年03月

3. 解決的問題

（1）如何在ANSYS中模擬橡膠隔震支座？

（2）如何確定隔震模型的力學參數與隔震支座設計參數的定量對應關系？

（3）如何模擬隔震支座的非線性特性？

（4）如何驗證隔震支座模擬的正確性？

4. 隔震模型的力學參數與隔震支座設計參數的定量對應關系

我們知道，實際應用中，我們可以采用廠家提供的標準型號的隔震支座，也可以訂制特殊類型的隔震支座，不管采用那種形式，在仿真模擬時，我們都要將設計參數與隔震模型的力學參數對應起來，從而進行力學分析。

ANSYS中并沒有特定的隔震單元，但提供了一系列的彈簧-阻尼器單元，可以通過組合單元模擬隔震支座的力學特性。采用COMBIN14單元模擬隔震支座的豎向剛度，COMBIN14又稱彈簧-阻尼器單元，具有1D、2D和3D的軸向或扭轉能力。軸向彈簧-阻尼器為單軸拉壓行為，每個單元有2個節點，每個節點有3個自由度，即沿著X、Y和Z方向的三個平動或轉動位移。水平方向上，采用COMBIN40單元模擬隔震支座的水平剛度和阻尼，COMBIN40單元將彈簧、滑塊和阻尼器并聯，再用串聯的方式與間隙耦合形成組合體，適用于多種情況的分析。該單元可以引入雙線性強化模型，并考慮粘滯阻尼的影響。詳細參考《ANSYS結構分析單元與應用》。

在解決了單元類型之后，我們選擇一種常用的隔震支座，如圖1所示。

圖 1 一種常用的隔震支座

可以看出，隔震支座的設計參數主要包括：

水平向：屈服前剛度Ku 屈服后剛度Kd 屈服力Qd 阻尼比ζ

豎向：豎向剛度 阻尼比

隔震單元的力學參數主要包括：

COMBIN40：K1，K2，CH，FSLIDE，GAP

COMBIN14：K，CV

對應關系如下：

K1=Ku-Kd，K2=Kd，CH=2ζ((Ku+Kd)*M)^0.5，FSLIDE=Qd，GAP=0。

GAP取值和使用方法詳見《ANSYS結構分析單元與應用》。

5. 算例

算例選擇一混凝土柱，彈性模量33.5Gpa，密度2500kg/m3，泊松比0.2，尺寸2×2×10m。有限元模型如圖2所示。

圖 2 非隔震結構有限元模型

對非隔震結構進行模態分析，得到前三階頻率如圖3所示。

圖 3 非隔震結構前三階頻率

前三階振型如圖4所示。

圖 4 非隔震結構前三階振型

6. 隔震設計

選用GZY1100-220型隔震支座，布置在混凝土柱的底部中心位置。

圖 5 三維隔震結構有限元模型

對三維隔震結構進行模態分析，得到前三階頻率如圖6所示。可以看出，三維隔震結構延長了結構的周期，降低了結構自振頻率，符合隔震的基本原理。

圖 6 三維隔震結構前三階頻率

前三階振型如圖7所示。可以看出，對于非隔震結構，結構振動以梁式振動為主，而隔震結構主要表現為水平平動。

圖 7 三維隔震結構前三階振型

7. 設計驗證

采用理論解和數值解對比驗證隔震設計的正確性。通過對非隔震結構進行模態分析，得到結構的總重為665000kg，根據計算公式，可知三維隔震結構的水平向基頻為0.753 Hz，豎向基頻為 17.629Hz，這與圖6中得到的ANSYS計算結果基本一致，誤差小于2%。驗證了三維隔震有限元模擬的正確性。

圖 8 模態分析結果

圖 9 部分計算過程

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