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Perform3D入门教程 鼎宸结构深圳一部 冯更帅2013 07 29 0 目标 1 了解什么是结构的弹塑性 2 了解弹塑性在结构中的实现方法 3 知道使用perfrom3d进行弹塑性动力分析的流程 1 什么是弹塑性 弹塑性 elasticoplasticity 是指物体在外力施加的同时立即产生全部变形 而在外力解除的同时 只有一部分变形立即消失 其余部分变形在外力解除后却永远不会自行消失的性能 具有弹塑性的物体是弹塑性体 在弹塑性体的变形中 有一部分是弹性变形 其余部分是塑性变形 在短期承受逐渐增加的外力时 有些固体的变形分两个阶段 在屈服点以前是弹性变形阶段 在屈服点后是塑性变形阶段 1 1钢筋的本构 钢筋的力学性质 混凝土结构设计规范 中有更详细的混凝土的本构模型 包括抗拉和抗压 见附录C E fy EHRB400钢筋 E 200000N mm2FY 400N mm2FU 540N mm2更多信息科参考SAP20000默认材料库 1 2混凝土结构设计规范中规定的钢筋的本构 1 3混凝土的本构 0 对应于峰值点应变 规范 0 0 002 cu 混凝土极限压应变 规范 cu 0 0033 混凝土结构设计规范 中有更详细的混凝土的本构模型 包括抗拉和抗压 见附录C 1 4滞回曲线 hystereticcurve 在力循环往复作用下 得到结构的荷载 变形曲线 它反映结构在反复受力过程中的变形特征 刚度退化及能量消耗 是确定恢复力模型和进行非线性地震反应分析的依据 又称恢复力曲线 restoringforcecurve 结构或构件滞回曲线的典型形状一般有四种 梭形 弓形 反S形和Z形 针对单个某件某一次往复加载的表现出来的性能 梭形说明滞回曲线的形状非常饱满 反映出整个结构或构件的塑性变形能力很强 具有很好的抗震性能和耗能能力 例如受弯 偏压 压弯以及不发生剪切破坏的弯剪构件 具有良好塑性变形能力的钢框架结构或构件的P一 滞回曲线即呈梭形 弓形具有 捏缩 效应 显示出滞回曲线受到了一定的滑移影响 滞回曲线的形状比较饱满 但饱满程度比梭形要低 反映出整个结构或构件的塑性变形能力比较强 节点低周反复荷载试验研究性能较好 能较好地吸收地震能量 例如剪跨比较大 剪力较小并配有一定箍筋的弯剪构件和压弯剪构件 一般的钢筋混凝土结构 其滞回曲线均属此类 反S形反映了更多的滑移影响 滞回曲线的形状不饱满 说明该结构或构件延性和吸收地震能量的能力较差 例如一般框架 梁柱节点和剪力墙等的滞回曲线均属此类 Z形反映出滞回曲线受到了大量的滑移影响 具有滑移性质 例如小剪跨而斜裂缝又可以充分发展的构件以及锚固钢筋有较大滑移的构件等 其滞回曲线均属此类 1 5骨架曲线 将同方向 拉或压 加载的应力 应变曲线中 超过前一次加载最大应力的区段平移相连后得到的曲线称为骨架曲线 也可表述为滞回曲线上同向 拉或压 各次加载的荷载极值点依次相连得到的包罗曲线称为骨架曲线 骨架曲线是每次循环加载达到的水平力最大峰值的轨迹 反映 刚度 延性 耗能及抗倒塌能力等 也是确定恢复了构件受力与变形的各个不同阶段及特性 强度力模型中特征点的重要依据 是对批量构件实验数据的概括 从滞回曲线 实验中得到 骨架曲线 概括总结 滞回曲线 软件中验证 1 6本构曲线总结 1 Y 第一个屈服点2 U 强度极限点3 L 延性极限点 强度退化起点4 R 残余强度点5 X 变形极限点 一般钢筋混凝土梁柱构件中的箍筋不仅明显地提升了被约束混凝土的轴心抗压强度 而且大大提高了构件的延性耗能能力 根据Mander等人的研究 考虑箍筋约束效应的混凝土轴心抗压强度和对应的峰值应变分别由以下两式确定 1 7三水准设计标准 结构构件进入塑性强化段后 根据其破坏程度的不同可分为立即入住 ImmediateOccupancy 生命安全 LifeSafety 临界倒塌 CollapsePrevention 三种状态 分别对应下图中的IO LS CP点 混凝土构件的性能点IO LS CP对应的弹塑性位移 横坐标 和力 纵坐标 的限值可参考ATC 40 各性能点对应的破坏状态的定性描述如下 性能点IO 构件只受到轻微破坏 无须修复即可继续使用 性能点LS 构件受到显著破坏但尚不危及生命安全 修复后可继续使用 性能点CP 构件受到严重破坏即将出现或已经出现强度退化 已不可修复使用 但构件尚能承受重力荷载而避免倒塌 1 8FEMA标准 框架梁和连梁 1 9FEMA标准 框架柱 1 10剪力墙和钢筋 定义材料的本构 参考混凝土结构设计规范附录C 钢筋和混凝土的本构模型 2 结构弹塑性分析在软件中的实现 单元的方向每一个2节点单元由I及J指定默认局坐标含义 框架单元 1表示I J 2 3轴垂直于1轴 方向可以任意 但最好统一 参考sap2000中框架的方向 梁竖向2 水平3 柱X向3 Y向2面单元 1垂直于单元 2 3在单元平面内剪力墙单元 同面单元 水平3 竖向2隔震单元 3是支撑垂直方向 1和2是剪切方向 在进行隔震设计中此相当重要 弹簧单元 1和2对应H方向 3对应V方向 2 1剪力墙在软件中的实现 剪力墙 属于平面构件 其特点是长度和宽度一般在同一数量级上 但厚度则比长度和宽度要小得多 在目前技术条件下 剪力墙的弹塑性有限元模型主要有三种 分别是等效柱模 型纤维截面模型 弹塑性分层壳元 等效柱模型 适用于以弯曲变形为主的大高宽比柔性剪力墙 将每个墙肢用一连串能考虑剪切变形的非线性梁柱单元来模拟 这是FEMA建议对柔性剪力墙的分析方法 MidasGen 低版本的SAP2000以及Etabs均可采用这种模型 纤维模型 是采用钢筋和混凝土材料的单轴应力应变关系 通过塑性纤维的轴向变形来模拟剪力墙的轴向 弯曲变形特征 纤维模型不必采用墙集中塑性铰的假定 不必采用双向弯曲互不耦联的假定 但是计算工作量较大 Perform3D采用该模型 弹塑性分层壳元 是将剪力墙分为钢筋层和混凝土层 分别考虑钢筋的拉压非线性和混凝土层的拉压以及剪切非线性 该方法与纤维模型类似 目前的SAP2000V14 V15采用了分层壳元模型 2 2墙单元在perform3d中的实现 需要定义的参数 1 钢筋的本构 参考混凝土结构设计规范2 混凝土的本构 参考混凝土结构设计规范3 考虑剪力墙不发生剪切破坏的剪切检测截面 定义剪切应变极限 剪切强度是混凝土抗拉强度的0 588倍 剪切刚度是混凝土弹性模量的 0 4倍 由此可以计算出弹性剪切应变限值为 0 588 ftc 0 4E 2 3框架梁和连梁在软件中的实现 弯矩塑性铰模型 弦转角模型 FEMA 只发生在两端 集中铰模型 塑性铰区模型 弯矩和剪力均考虑平面内弹塑性 平面外为弹性 连梁不发生剪切屈服 定义剪力强度检测截面 2 4框架梁和连梁在perform3D中的实现 楼面主梁和连梁采用弹性杆 转角型塑性铰的FEMA梁模型来模拟 如图下图所示 用FEMA梁来模拟主要是考虑到模型的计算代价以及美国FEMA273为该单元提供了完整的技术报告以及性能水准参数 连梁的设计应保证 强剪弱弯 并且沿连梁全长布置箍筋 既提高连梁抗剪强度又加强对混凝土的约束 并保证塑性铰区域的转动能力 1 框架梁 定义弹性截面 非线性弯矩塑性铰 excel表格 根据配筋率计算抗弯承载力 2 连梁 定义弹性截面 非线性弯矩塑性铰 定义剪切检测截面 根据配筋率 配箍率来计算抗弯承载力和抗剪承载力 注意跨高比对纵筋配筋率的限值 材料强度使用标准值 构件组装正顺序 截面属性定义 定义FEMA塑性铰 剪切检测截面 构件组装 将组装好的构件指定给模型中的单元 属性修改逆顺序 查看模型单元中的组装好的构件的属性 组装好的构件包含了哪些塑性铰 这些塑性铰引用了哪些截面 对塑性铰引用的截面进行修改 2 4框架梁和连梁在perform3D中的实现 续 2 4框架梁和连梁在perform3D中的实现 续 构件组装中用到的FEMA塑性铰属性的查看 找到引用的基本截面 2 4框架梁和连梁在perform3D中的实现 续 找出FEMA塑性铰单元所引用的基本截面信息 并修改 注意 修改之前 将FEMA塑性铰单元对该基本截面的引用解除 否则会出错 2 4框架梁和连梁在perform3D中的实现 续 找到构件组装中所引用的剪切强度检测截面 并查看其所引用的基本截面 2 4框架梁和连梁在perform3D中的实现 续 找出剪切强度检测截面所对应的基本截面 并修改相应的属性 注意 修改之前 将剪切强度检测截面单元对该基本截面的引用解除 否则会出错 程序固有BUG 2 5框架柱在软件和perform3D中的实现 框架柱的弹塑性模型和框架梁弹塑性模型相同 所不同的是框架柱在两个方向均按弹塑性处理 考虑PMM铰 可以通过Xtract软件 考虑配筋率 配箍率 混凝土的约束强度来计算提取抗拉强度 抗压强度 平衡点轴力和弯矩 P 0时的弯矩 考虑剪切弹性 仅设置强度检测截面 2 6框架柱在perform3D中的实现 在perform3dcrosssection选项中定义截面的基本属性 包括非线性的轴力和抗弯强度 PMM属性 线性剪切强度 以备定义FEMA铰属性和构件组装中使用 3 初识Perform3D 界面设计和用户交互设计 同现在软件的友好性是无法称好的 3 1Perform3D的前世今生 PERFORM 3D NonlinearAnalysisandPerformanceAssessmentfor3DStructure 三维结构非线性分析与性能评估软件 其前身为Drain 2DX和Drain 3DX 由美国加州大学伯克利分校的Powell教授开发 是一个用于抗震设计的非线性计算软件 通过基于变形或强度的限制状态对复杂结构 其中包括剪力墙结构 进行非线性分析 PERFORM 3D为用户提供了一个强大的地震工程分析工具来进行静力Pushover分析和非线性动力时程分析 可以同时在一个模型中实现静力或动力非线性分析 荷载可以任意顺序施加 如完成动力时程分析后进行静力Pushover分析 现在已经为CSI公司收购 CSI公司计划将Perform3D功能整合进SAP2000 但迟迟未果 3 2 软件功能和用户使用定位 PERFORM3D是一个致力于研究地震抵抗设计的非线性软件工具 通过使用以变形为基础或者强度为基础的限制状态来非线性分析复杂结构 PERFORM 3Dprovidesyouwithtoolstobuildnonlinearanalysismodels analyzethem andprocesstheresultstohelpyoumakedesigndecisions Youwillfindthatyoudonotneedtoknowmuchaboutthedetailsofnonlinearanalysis becausePERFORM 3Dlargelyautomatestheanalysisprocess However nonlinearbehaviorismorecomplexthanlinearbehavior anddeformation baseddesignisdifferentfromstrength baseddesign Tousetheprogrameffectivelyyoumustunderstandnonlinearstructuralbehaviorandperformance baseddesign Keepinmindthatthegoalofstructuralanalysisisnottogetanaccuratesimulationofastructure sbehavior buttogetinformationtohelpinmakingdesigndecisions Onceananalysismodelhasbeensetup itiseasytobeseducedintobelievingthatthemodelisanexactrepresentationoftherealstructure Itprobablyisnot anditdoesnotneedtobe Themodelmustbesufficientlyaccuratetoprovideusefuldesigninformation buttheanalysisresultsarealmostcertainlyapproximate nomatterhowsophisticatedtheanalysismodel Alsokeepinmindthatanalysisisnotanendinitself butmerelyatooltohelpindecisionmaking Itcanbeentertainingtoplotdeflectedshapes timehistoriesofnodeandelementresponse andhysteresisloopsfornonlinearcomponents Thisisnotatrivialactivity sincesuchplotsarecertainlyusefulforcheckingthebehavioroftheanalysismodel Ultimately however decisionmakingmustbebasedonlimitstatesanddemand capacityratios 1 用户必须了解结构的非线性性能和基于性能的设计 2 不必刻意去追求模型的精确 也不必刻意去相信结果的精确 3 软件知识工具 决定权在用户 3 3Perform3D截面组成 界面组成 菜单栏工具栏输入数据控制面板视角控制显示对话框 3 3 1Perform3D应用概览图 前处理 包括结构总体信息 节点 构件属性 单元 添加 删除框架 荷载模式 导入导出结构数据 位移和挠度 结构截面 极限状态 删除单元重力荷载 后处理定义荷载工况 运行分析 模态分析结果 能量平衡 极限状态组合 变形曲线 时程结果 滞回环 弯矩剪力图 推覆曲线 目标位移推覆曲线 利用率 组合与包络 3 4建模方式从无到有 利用perform3d进行建模输入节点坐标 单元对应节点 单元截面指定 荷载模式定义 单元荷载指定 恒载和活载可以合并了以后一起指定给单元 外部软件导入从PKPM 注意墙柱不要出现偏心 PKPM2005数据 利用老虎狗 ETABS模型 SATWE2ETABS小程序 SAP2000V6 ETABS直接导出 sap2000导入V6 运行转换器 生成V7V8等一系列版本模型 然后才可以用V14打开 SAP2000V15 V14只能导出几何模型 而无法导出截面荷载等信息 Perform3D结构模型需要注意的是 每做一步 都要注意校核整体指标信息是否有异样 总质量 前三周期 振型等 一旦发现问题 需要重来 小检查 避免大返工 3 5从sap2000到perform3D SAP2000V14只能导出几何模型 SAPV15既可以导出成几何模型 也可以导出成结构模型 3 6Perform3d模型初检查 模态分析 进行整体指标对比1 总质量 周期和模态等信息 会有所不同 误差在3 以内 原因 内嵌梁 中梁刚度放大1 5 2倍 问题检查 ECHO TXT ECHO001 TXT3ECHO002 TXTM000 TXT 3 7弹塑性模型材料单元数据整理 确定抗震性能目标 抗震性能目标D 3 8抗震计算整体信息 根据PKPM计算结果 初步确定 计算分析时结构构件采用的配筋率 3 9材料 钢筋 参考 混凝土结构设计规范 2010附录C 钢筋 混凝土本构关系模型与混凝土多轴强度准则 高层建筑混凝土结构设计规范 3 9 1钢筋本构在Perform3d中的定义 3 9 2材料 混凝土的定义 混凝土材料本构定义 3 9 2 1材料 混凝土的定义 3 9 2 2材料 混凝土的定义 3 9 2 3混凝土三水准指标 3 10 单元的定义 框架梁 在element中 框架梁组中找到使用的框架梁的构件名称 并查看属性 3 10 1发现问题 瓶子里装的酒并不是我们想要的 怎么办 换酒 3 10 2旧瓶换新酒 列表框内容 弹性连梁 CpdBmS CBMC30 200X400 1200FEMA连梁 CpdFemaBmS CBMC30 200X400 1200弹性柱 CpdColS CBMC30 200X400 1200FEMA柱 CpdFemaColS CBMC30 300X400 1200弹性框架梁 CpdBmC BM1000X1200C40FEMA框架梁 CpdFemaBmC BM1000X1000C40FEMA梁表示的柱 CpdFemaBmC CL1000X1000C60弹性柱表示的梁 CpdColC BM1300X1500C40FEMA柱表示的梁 CpdFemaColC BM1000X1000C40内嵌梁 梁 连梁 柱各自用弹性 FEMA和柱表示了一遍 每一个中构件都有定义了两种截面类型 弹性单元和fema单元 弹性单元中包含的是弹性的信息 但是是在模型中使用的截面名称 而FEMA中包含的FEMA单元信息 在模型中却没有使用到 1 更改截面信息还是重新给单元指定截面 果断选择更改截面内容 3 10 3FEMA单元定义 1 定义基本截面 梁截面 柱截面 2 1 FEMA定义塑性铰属性 梁FEMA 柱FEMA 2 2 定义剪切强度检测截面3 组装构件 加入第二步中定义的截面 塑性铰和剪切监测截面 注意 在组装FEMA单元的时候 杆件长度范围内 只能有两个FEMA铰 两段的长度分配可以任意 铰属性也可以任意 但一般去相同 长度均为0 5 铰属性为相同属性 3 11 1纤维截面的定义 纤维截面是最直观的的定义方式 可以用于定义框架梁 框架柱和剪力墙 3 11 2纤维构件的组装 1 框架梁纤维塑性铰设置在两端 取绝对长度 自己定义 中间为刚性杆 截面相同 强度检测截面置于两端0 1 0 9位置 2 框架柱纤维塑性铰设置在两端 取绝对长度 自己定义 中间为刚性杆 截面相同 强度检测截面置于两端0 5位置 3 12 2剪力墙截面的定义 找到基本截面中定义的剪力墙非线性截面 组装近来就可以了 剪力墙的检测截面在另外的单元组中定义 3 12 2剪力墙截面组装 剪力墙截面采用纤维单元 仅需要设置 1 材料 非线性一维混凝土材料非线性钢筋材料 不屈曲 2 基本截面 剪力墙 非线性截面 在混凝土和钢筋选项里 选择以上定义的材料 混凝土的厚度 钢筋的配筋率 监测截面中定义监测纤维 3 12 3剪力墙剪力剪切应变监测截面 计算剪力墙的弹性剪切应变 仅需要第一水准即可 不发生剪切破坏 3 13定义分组 空间模型 没有楼层的概念 所以要定义分组可以定位查看 3 14定义层偏移 3 15定义切割截面 用于获取层剪力 注意选择单元组中 要选中需要的所有单元组 如果要分开提取剪力 则需要定义剪力墙截面 框架截面 剪力墙 框架柱截面 3 16定义极限状态 变形状态 梁弯矩IO LS CP柱弯矩 IO LS CP连梁弯矩 IO LS CP墙混凝土受拉 IO墙混凝土受压 IO LS CP钢筋受拉 IO LS CP钢筋受压 IO LS CP强度状态 连梁剪切强度 IO柱剪切强度IO剪力墙剪应变检测IO 3 17工况定义 重力荷载代表值工况 重力荷载工况包括DL 0 5LL 节点荷载 单元荷载 墙荷载 3 18动力时程工况 地震荷载分析工况 需要建立地震波文件选波或者甲方提供安平波 核对 峰值调整 频谱对比 持时选择 参考 高规 第一步添加地震波 3 18 2查看导入的地震波 3 18 3查看导入的地震波 检查地震波的峰值1g 9 8m s2调整幅度 规范峰值加速度 9 8 波峰值 就是要调整的幅度 3 18 4时程工况定义 三个方向 六种工况 1 3Ex1 0 5Ey10 5Ex1 1 3Ey11 3Ex2 0 5Ey20 5Ex2 1 3Ey21 3Ex3 0 5Ey30 5Ex3 1 3Ey3调整的幅度 在峰值加速度调整系数上体现 3 19运行分析 总体信息 PDELTA效应考虑 质量源 阻尼 选瑞利阻尼 3 20分析系列工况定义 添加要进行分析的工况 时程工况要在重力荷载代表值的基础上进行 定义完成 即可运行分析了 3 21分析过程注意要点 1 可同时打用另外一个PERFORM3D窗口打开本文件 查看运行状况 2 也可以到文件夹下查看TXT文档中的运行信息 4 Perform3D输出结