[土木]-在ABAQUS中对框架结构施加地震波(对初学者普及-同时向大虾们求教).docx

[土木] 在ABAQUS中对框架结构施加地震波（对初学者普及，同时向大虾们求教）
初学ABAQUS没多久，由于课程需要，想用实体单元建了一个五层的框架结构，要对其施加地震波。但是我只学了石老师《实例》的前面部分，只知道些比较基本的操作之类的，于是上网求助于论坛。
在找完很多帖子后，建模并计算，基本算是成功的。所以首先是要衷心感谢各位在论坛上指导了我的楼主及他们的帖子们。
不过感觉网上各位大侠可能都没体会到民间疾苦，只提了个大概，我们自己得总结半天。所以在此详细点写下自己查到的方法，回报下论坛上的各位，给其他一些初学的人一些帮助，也达到交流学习的目的。
但同时还有许多自己不知其所以然的，想要请教各位大侠（红色字体是引用别人说的，蓝色字体是我的疑问，望大家讨论或帮忙解答）。

在网上查了些方法：
module选load，在tools-----amplitude-----creat默认的continue在Edit Amplitude里面输入时间和加速度，点OK。点creat boundary condition，出现对话框creat boundary condition，选择acceleration/angular acceleration,continue---选择要施加的边界---done----出现对话框edit bondary condition对话框，在amplitude里选择你所定义的时间和加速度。点ok就完工了。
这是在CAE里输入地震波的方式，我用的方法是直接在inp文件里加地震波的。

首先在CAE里建好模型，定义两个分析步。

第一个分析步是加自重，采用线性加载的方式。

(a) 加载方式：ABAQUS在施加Gravity时，默认为Instantaneous（瞬时加载），如果把结构自重以瞬间加载方式加到结构上，相当于对结构施加了一个脉冲荷载，会引起结构在竖向的振动，在不考虑结构阻尼的情况，这种振动会一直持续下去。如果是混凝土结构，这种竖向振动也会造成混凝土受拉损伤，所以这种加载方式不太合理。
(b)新建加载方式：创建一个新的Amplitude，Type=smooth tpye，0时刻Am=0，然后再选择一个0.5s~1s时刻，Am=1，在这个区间内线性插值，实现幅值从0到1。这种方式加载要优于上述瞬时加载，但是在起初的0.5s（或者1s，即smooth tpye中设置的终点时间）内计算结果是不准确的，所以要把这部分的计算结果剔除，剔除方法就是，创建2个step，第一个step主要分析自重作用，待自重稳定后开始第二个step地震时程反应分析。
以上方法也是得自论坛，我感觉说的有道理，就用了，不知道具体对不对。

第二个分析步就是加地震波。
输入地震波有两种方法：

1、在如下位置加入下面加黑的字体部分。格式如下：时间,地震波,时间,地震波,时间, 地震波,时间, 地震波…………每行8个数据（我下到的地震波文件是不带时间的，自己用C++处理了一下）。
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
*End Assembly
*Amplitude, name=Amp-1
0.005, -7.5e-08, 0.01, -3.55e-07, 0.015, -7.03e-07, 0.02, -4.53e-07
0.025, 1.82e-06, 0.03, 7.01e-06, 0.035, 1.5e-05, 0.04, 2.49e-05
0.045, 3.54e-05, 0.05, 4.5e-05, 0.055, 5.2e-05, 0.06, 5.5e-05
………………
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

2、在如下位置加入下面加黑的字体部分。区别就在于上面那一种是直接把地震波放在inp文件里，而且每一行的最后面是没有逗号的（我也不知道这是不是必须的，帮助文件里没找着）。而这种方法是将地震波另外放置在一个txt文件里，当然，这个文件得跟inp文件在同一个文件夹里。

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
*End Assembly
*Amplitude, name=Amp-1, definition=SMOOTH STEP

0.,
0.,
0.5,
0.5,
1.,
1.
**
*Amplitude, name=Amp-2, input=DIZHENBO--E-W.txt
** 
** MATERIALS
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

其中DIZHENBO --E-W.txt是地震波文件。

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
0,0.0650966,0.02,0.0485266,0.04,-0.00118357,0.06,-0.094686,
0.08,-0.102971,0.1,-0.0514855,0.12,-0.0153865,0.14,0.0224879,
0.16,0.0432005,0.18,0.0538527,0.2,0.0420169,0.22,-0.00532609,
0.24,-0.0426087,0.26,-0.0467512,0.28,-0.0272222,0.3,-0.00769324,
………………
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

对于边界条件，在初始步时将柱底约束住：

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
** BOUNDARY CONDITIONS
**
** Name: BC-1 Type: Acceleration/Angular acceleration
*Boundary, type=ACCELERATION
_PickedSet1399, 1, 1
_PickedSet1399, 2, 2
_PickedSet1399, 3, 3

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

但关键在于这里边界条件的类型是Displacement还是如上所示的Acceleration我不能确定（第二步中的边界得是Acceleration，第一步好像是不可以用Displacement的，不知道对不对）。
         在第二个分析步中，将地震波以加速度的形式加在柱底上：

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
** BOUNDARY CONDITIONS
** 
** Name: BC-1 Type: Acceleration/Angular acceleration
*Boundary, type=ACCELERATION
_PickedSet1399, 2, 2
_PickedSet1399, 3, 3
*Boundary, amplitude=Amp-2, type=ACCELERATION
_PickedSet1399, 1, 1, 1
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

其中最后的那个“1”参数是指将地震波数据乘以此系数得到最终地震波的值。这里我有点不明白的是蓝色字体部分，这里不加这些语句可以吗？因为在初始步中已经定义过了，但我不知道这时是不是得重新把2、3方向的给再次定义下。（我知道有些东西我自己改下再运算一遍比较下结果也许可以知道，但一来不太明白的地方太多，初学也不知道改的对不对，二来我觉得这样可能知道结果，却不知道原因，所以发上来希望有大侠告知）

Inp文件添加到这里也就可以放入Command里进行计算了。
结果如下图所示：
变形20倍图

位移曲线（在ABAQUS中将顶点跟底点位移曲线相减得到相对位移）

我想介绍的就是这些，希望对于需要用到加载地震波的各位能有所帮助。
同时，这里面除了我希望有疑问的地方能得到大侠们解答之外，如有其他错误或不足之处，请大家指出。谢谢！O(∩_∩)O哈哈~

原创：ABAQUS地震时程分析的一些经验总结
做了挺长时间地震，自己做了个总结，省得忘记，也希望能给大家提供参考，减少摸索的时间。

Abaqus地震分析的总结——时步、单元尺寸、滤波、等效非线性、无限元
1、自由场地震反应
经典的自由场地震反应用shake91或proshake等进行分析，在分析完可以导出各层土的等效线性参数，包括阻尼（粘滞阻尼系数）和剪切模量，用剪切模量可以计算弹性模量，shake中假定泊松比为常数，对地震反应没影响。其实FLAC中有自带自由场边界，计算地震很方便。
如以下是shake91中自带的例子输出得到的参数
  ITERATION NUMBER  8
  VALUES IN TIME DOMAIN
NO TYPE DEPTH  UNIFRM. <---- DAMPING ---->   <---- SHEAR MODULUS ----->    G/Go
         (FT)   STRAIN  NEW    USED   ERROR  NEW   USED    ERROR   RATIO
--- ---- ----  ------- ----- ------  ------   -------   -------   ------   -----
  1  2    2.5  .00077  .007   .007       .0    3851.5    3851.5       .0    .992
  2  2    7.5  .00295  .014   .014       .0    3020.0    3020.0       .0    .960
  3  2   15.0  .00634  .023   .023       .0    2803.8    2803.8       .0    .892
  4  2   25.0  .00976  .028   .028       .0    2985.8    2985.8       .0    .852
  5  1   35.0  .01099  .030   .030       .0    3621.7    3621.6       .0    .933
  6  1   45.0  .01403  .035   .035       .0    3540.5    3540.4       .0    .912
  7  1   55.0  .01362  .034   .034       .0    4296.0    4296.0       .0    .915
  8  1   65.0  .01566  .037   .037       .0    4239.8    4239.8       .0    .903
  9  2   75.0  .01356  .034   .034       .0    5402.7    5402.7       .0    .792
10  2   85.0  .01505  .037   .037       .0    5266.0    5266.0       .0    .772
11  2   95.0  .01336  .034   .034       .0    6288.2    6288.2       .0    .795
12  2  105.0  .01413  .035   .035       .0    6203.4    6203.4       .0    .784
13  2  115.0  .01233  .032   .032       .0    7357.2    7357.2       .0    .810
14  2  125.0  .01281  .033   .033       .0    7290.8    7290.8       .0    .803
15  2  135.0  .01115  .030   .030       .0    8570.4    8570.4       .0    .829
16  2  145.0  .00865  .026   .026       .0   11292.6   11292.6       .0    .863
Shake中的outcrop指出露基岩，baserock指土层底部的基岩，因此不考虑波的衰减的情况下，在outcrop处用加速度计测得的地震加速度幅值为baserock处的2倍。如果在abaqus中的土层与基岩的交界面处输入地震波，在跟shake91对比时，要是用baserock输入。在abaqus中建立的土层数要和shake91中的土层数相等，使用同样的参数，注意是弹模，泊松比，密度和瑞利阻尼。注意shake91中必须是8列或4列数据，如果使用两列数据，则无法读入加速度。Shake91是频域有限元法，对于加速度幅值是先放大，再滤波。自带的例子中滤掉大于25Hz的波。
2、阻尼，时程分析中一般使用瑞利阻尼
瑞利阻尼的一般公式
M、K为质量和刚度矩阵，α、β分别为质量系数和刚度系数。
式中，ζi和ωi分别为结构的第i阶模态的阻尼比和圆频率，关于两个频率的取值有很多取法，详见
详见Parametric study on seismic ground response by finite element modelling
详见Analysis for seismic response of dry storage facility for spent fuel
3、滤波
使用seismosignal进行滤波，把高频波滤掉，shake2000手册中提到可以把大于15Hz的波都滤掉，而shake91中则把大于25Hz的滤掉，只对高频滤波，低频不滤波，因为低频也就是长周期的波对地震响应起控制作用。故在把地震波用于有限元分析前，先滤掉高频波。
4、关于单元尺寸、最小增量步时间
4.1单元尺寸
有限单元长度必须小于最大频率对应波长的1/10-1/8，因此滤掉高频波后可以增大单元尺寸
详见Parametric study on seismic ground response by finite element modeling
4.2时步选择
常选择0.005，但精确的选择如下：
详见Soil–structure interaction effects on seismic inelastic analysis of 3-D tunnels
5关于无限元，由于无限元只能吸收垂直入射的波，所以在水平地震时是用无限元没什么作用，而且无限元会引起震荡。可以是用比较大的模型，然后是用偏执网格（即中间密外围稀），而且对于竖向传播的波，网格的水平尺寸对波没什么影响，但要注意同一个单元中，不同尺寸不宜相差太远。我见过建立圆柱体模型，然后对同一水平的外围节点使用MPC控制节点位移，控制点选圆周上任意点，即保证同一水平上的外围点位移相同。
6、关于输入地震波，一般在底部基岩面节点之间输入加速度时程即可，在load模块中的tool-amplitude中定义幅值（也可以用inp文件定义加速度文件），具体可参照帮助中大坝的例子。
有价值的参考文献：
Computer analysis and design of earthquake resistant structures: a handbook

由于图片不好上传，故完整版请下载pdf附件。
哈哈，求版主加分。
Abaqus地震分析的总结.pdf