如何在ANSYS中模拟非线性三维隔震支座

最近有很多同学联系我，问到如何数值模拟三维隔震支座。假期加个班，做个算例分析。

1. 包含的内容

（1）算例模型命令流

（2）三维隔震支座命令流

（3）计算过程excel文件

（4）建筑隔震橡胶支座规范

（5）常用隔震支座的设计参数

2. 进阶内容（需另付费，有需要可联系）

（1）隔震支座在ANSYS中的批量建模方法，预计时间2024年02月

（2）如何在ABAQUS中模拟非线性单位隔震支座（连接器单元），预计时间2024年03月

3. 解决的问题

（1）如何在ANSYS中模拟橡胶隔震支座？

（2）如何确定隔震模型的力学参数与隔震支座设计参数的定量对应关系？

（3）如何模拟隔震支座的非线性特性？

（4）如何验证隔震支座模拟的正确性？

4. 隔震模型的力学参数与隔震支座设计参数的定量对应关系

我们知道，实际应用中，我们可以采用厂家提供的标准型号的隔震支座，也可以订制特殊类型的隔震支座，不管采用那种形式，在仿真模拟时，我们都要将设计参数与隔震模型的力学参数对应起来，从而进行力学分析。

ANSYS中并没有特定的隔震单元，但提供了一系列的弹簧-阻尼器单元，可以通过组合单元模拟隔震支座的力学特性。采用COMBIN14单元模拟隔震支座的竖向刚度，COMBIN14又称弹簧-阻尼器单元，具有1D、2D和3D的轴向或扭转能力。轴向弹簧-阻尼器为单轴拉压行为，每个单元有2个节点，每个节点有3个自由度，即沿着X、Y和Z方向的三个平动或转动位移。水平方向上，采用COMBIN40单元模拟隔震支座的水平刚度和阻尼，COMBIN40单元将弹簧、滑块和阻尼器并联，再用串联的方式与间隙耦合形成组合体，适用于多种情况的分析。该单元可以引入双线性强化模型，并考虑粘滞阻尼的影响。详细参考《ANSYS结构分析单元与应用》。

在解决了单元类型之后，我们选择一种常用的隔震支座，如图1所示。

图 1 一种常用的隔震支座

可以看出，隔震支座的设计参数主要包括：

水平向：屈服前刚度Ku 屈服后刚度Kd 屈服力Qd 阻尼比ζ

竖向：竖向刚度 阻尼比

隔震单元的力学参数主要包括：

COMBIN40：K1，K2，CH，FSLIDE，GAP

COMBIN14：K，CV

对应关系如下：

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

GAP取值和使用方法详见《ANSYS结构分析单元与应用》。

5. 算例

算例选择一混凝土柱，弹性模量33.5Gpa，密度2500kg/m3，泊松比0.2，尺寸2×2×10m。有限元模型如图2所示。

图 2 非隔震结构有限元模型

对非隔震结构进行模态分析，得到前三阶频率如图3所示。

图 3 非隔震结构前三阶频率

前三阶振型如图4所示。

图 4 非隔震结构前三阶振型

6. 隔震设计

选用GZY1100-220型隔震支座，布置在混凝土柱的底部中心位置。

图 5 三维隔震结构有限元模型

对三维隔震结构进行模态分析，得到前三阶频率如图6所示。可以看出，三维隔震结构延长了结构的周期，降低了结构自振频率，符合隔震的基本原理。

图 6 三维隔震结构前三阶频率

前三阶振型如图7所示。可以看出，对于非隔震结构，结构振动以梁式振动为主，而隔震结构主要表现为水平平动。

图 7 三维隔震结构前三阶振型

7. 设计验证

采用理论解和数值解对比验证隔震设计的正确性。通过对非隔震结构进行模态分析，得到结构的总重为665000kg，根据计算公式，可知三维隔震结构的水平向基频为0.753 Hz，竖向基频为 17.629Hz，这与图6中得到的ANSYS计算结果基本一致，误差小于2%。验证了三维隔震有限元模拟的正确性。

图 8 模态分析结果

图 9 部分计算过程

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