一种工程场地数值模型中空间变异地震动的输入方法

本发明涉及岩土、水利工程抗震，具体涉及一种工程场地数值模型中空间变异地震动的输入方法。

背景技术：

1、地铁隧道等地下结构以及大坝等水工结构的地震响应分析多采用数值方法开展。目前有多款商业有限元软件可进行地下(水工)结构-场地相互作用模型的构建与抗震分析。

2、以地铁隧道工程为例，建模过程大致如下：创建地铁隧道以及场地部件并赋予其材料属性→装配部件并建立隧道与场地间的接触→设置边界条件，包括地震动的输入→计算分析。同时，地铁隧道等地下结构以及大坝等水工结构的规模往往较为巨大，对于大规模(尺度)问题，由于能量衰减、局部场地条件变化以及相干效应，地震动时程具有空间、时间与频率维度内的差异，即地震动的空间变异性。空间变异地震动可表述为空间内一条直线上多个点处的一组地震动时程。在大规模结构的地震响应分析中考虑地震动的空间变异性显然是更符合实际的，因而能够得到更为精确的结果。

3、综上，大规模结构的地震响应分析应考虑地震动的空间变异性，即对规模较大的结构进行地震响应分析时应使用地震动的多点输入(在空间不同点施加一组空间变异地震动中的不同地震动时程)。然而，于现有的商业计算分析软件(如商业有限元软件abaqus)中实现地震动的多点输入极为繁琐，具体表现为：采用商业有限元软件对大规模建筑结构进行计算分析时，须按地震动传播方向在模型底部的每一列单元结点上输入一条地震动时程(该时程属于一组空间变异地震动且与同组其他地震动时程均有差别)，以1000m长、单元网格尺寸为1m的模型为例，上述步骤须手动重复1001次，即用户需要执行“复制地震动→创建幅值曲线→创建加速度荷载”操作1001次，对于更大规模的模型，该项操作将更为繁琐且极易出现某条地震动时程施加于错误位置等失误。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是提供一种工程场地数值模型中空间变异地震动的输入方法，可实现大规模abaqus数值模型中多条地震动时程在各自指定位置的快速、自动、按指定顺序施加，使几乎不可能手动完成的大规模模型的地震动多点输入变为自动快速精准施加，不但节约了用户的建模时间成本，还可避免使用abaqus基本功能手动逐条施加地震动时程时易出现的施加位置混淆等错误。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

3、一种工程场地数值模型中空间变异地震动的输入方法，包括以下步骤：

4、s1.编译程序和制作内嵌于有限元软件abaqus的可视化人机交互界面，用户通过可视化人机交互界面输入模型信息和导入包括一组空间变异地震动时程的数据文件；

5、s2.采用abaqus的附加点功能，为模型的地震动施加面的每列单元节点创建一组附加点及相应附加点集合，并通过附加点带动与其相对应的单元结点同步振动；

6、s3.根据导入的数据文件，自动为每一个附加点集合施加一条地震动时程，以完成一组空间变异地震动的多点输入。

7、优选的，所述步骤s2具体包括以下步骤：

8、s21.为地震动输入起始线上的各单元结点创建一组附加点及相应附加点集合；

9、s22.基于上述附加点，采用附加点偏移功能于每一列单元结点处，按照各列单元结点的在地震动传播方向上的空间排序以及与起始线之间的间隔单元数量及单个单元尺寸，一一自动创建独立的一组附加点及附加点集合；

10、s23.自动为地震动施加面创建一个表面集合；

11、s24.自动创建上述每一个附加点集合与地震动施加面表面集合之间的动力耦合约束。

12、优选的，所述步骤s3具体包括以下步骤：

13、s31.根据导入的数据文件，自动为一组空间变异地震动中的所有地震动时程一一创建荷载幅值曲线，其数量与地震动施加面上单元结点列数相同；

14、s32.自动按所有附加点集合的空间排序一一对应的为每一个附加点集合创建加速度荷载边界条件并赋予相对应的地震动时程幅值曲线。

15、优选的，所述可视化人机交互界面包括用于按照用户输入的模型信息创建部件并装配以施加空间变异地震动时程的可自动创建隧道与场地部件并施加空间变异地震动的第一模块和用于为指定既有部件施加空间变异地震动的第二模块。

16、优选的，所述数据文件为含有一组空间变异地震动时程的带有分隔符的文本文档文件；所述数据文件中第一列为所有地震动时程共享的时间列，第二列至最终列依次为一组空间变异地震动时程的各条地震动时程数值，其排序即为数值模型中地震动施加面上各列单元结点的空间排序，任一条地震动时程的数值与第一列时间列中数值一一对应。

17、优选的，所述程序和可视化人机交互界面基于python语言编译和制作。

18、由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

19、本发明可实现大规模abaqus数值模型中多条地震动时程在各自指定位置的快速、自动、按指定顺序施加，使几乎不可能手动完成的大规模模型的地震动多点输入变为自动快速精准施加，不但节约了用户的建模时间成本，还可避免使用abaqus基本功能手动逐条施加地震动时程时易出现的施加位置混淆等错误，从而为大规模地下、水工等结构的抗震分析提供便利。

技术特征：

1.一种工程场地数值模型中空间变异地震动的输入方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种工程场地数值模型中空间变异地震动的输入方法，其特征在于：所述步骤s2具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种工程场地数值模型中空间变异地震动的输入方法，其特征在于：所述步骤s3具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种工程场地数值模型中空间变异地震动的输入方法，其特征在于：所述可视化人机交互界面包括可自动创建隧道与场地部件并施加空间变异地震动的第一模块和用于为指定既有部件施加空间变异地震动的第二模块。

5.根据权利要求1所述的一种工程场地数值模型中空间变异地震动的输入方法，其特征在于：所述数据文件为含有一组空间变异地震动时程的带有分隔符的文本文档文件；所述数据文件中第一列为所有地震动时程共享的时间列，第二列至最终列依次为一组空间变异地震动时程的各条地震动时程数值，其排序即为数值模型中地震动施加面上各列单元结点的空间排序，任一条地震动时程的数值与第一列时间列中数值一一对应。

6.根据权利要求1所述的一种工程场地数值模型中空间变异地震动的输入方法，其特征在于：所述程序和可视化人机交互界面基于python语言编译和制作。

技术总结
本发明公开了一种工程场地数值模型中空间变异地震动的输入方法，包括以下步骤：S1.编译程序和制作内嵌于有限元软件ABAQUS的可视化人机交互界面，用户通过可视化人机交互界面输入模型信息和导入包括一组空间变异地震动时程的数据文件；S2.采用ABAQUS的附加点功能，为模型的地震动施加面的每列单元节点创建一组附加点及相应附加点集合，并通过附加点带动与其相对应的单元结点同步振动；S3.根据导入的数据文件，自动为每一个附加点集合施加一条地震动时程，以完成一组空间变异地震动的多点输入。本发明不但使几乎不可能手动完成的大规模模型的地震动多点输入变为自动快速精准施加，节约了时间成本，还可避免手动逐条施加地震动时程时易出现的施加位置混淆错误。

技术研发人员：姚二雷,苗雨,黎卫超,朱莅,饶宇,柴朝政,杨招伟,马晨阳,刘美山,胡英国,刘志芳,王秀杰,刘华青
受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15