基于性能的抗震设计理论及性能评估在perform3D中的实现201510综述

1、2015.11汇报人： 李 朋 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.基于性能的抗震设计理论及性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.第一部分 基于性能的抗震设计理论 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Ar

2、chitectural Design Institute CO. LTD. 满足国家规范，只是满足了一个最低标准，地震来了建筑物到底会怎么样，工程师也很少能说清楚。近一二十年来蓬勃兴起的基于性能的抗震分析的主要任务就是算清这么糊涂帐。 以前我们专注于建筑在地震中“会倒”还是“不会倒”，现在除了要求不能倒之外，更关心损坏的程度，是否影响使用，是否要加固修复，是否要拆除，业主也有权参与决策建筑物的抗震性能。 美国环太平洋地震工程研究中心（PEER）将基于性能的抗震设计描述为“在充分考虑业主和公众需求的基础上通过选择性能目标以完善地震风险决策的方法。”基于性能的抗震设计理论 中中 南南 建建 筑筑

3、设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.基于性能的抗震设计理论 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.基于性能的抗震设计理论 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.基于性能的抗震设计理论 中中

4、南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.基于性能的抗震设计理论 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.基于性能的抗震设计理论 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.基于性能的抗

5、震设计理论 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.基于性能的抗震设计理论的提出及发展基于性能的抗震设计理论 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.第二部分 性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Archite

6、ctural Design Institute CO. LTD.性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD. Perform3D界面性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD. Perform3D 可以做什么？ Perform3D 是用来做基于性能

7、的抗震分析的程序，而且只能做性能设计，常用的功能主要有： 重力荷载计算： Perform3D 可以做什么？性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD. Pushover分析： 方法多种多样，适用不同的结构条件，如ATC40,FEMA440、系数法等，且可以考虑高阶振型作用。性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Arch

8、itectural Design Institute CO. LTD.动力弹塑性时程分析： 用Newmark-法中的常加速度法（隐式算法），精度高、速度快，最重要的阻尼取法国际最先进、最准确。目前RBS的sausage的阻尼取法也采用它。性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD. Perform3D 的优势是什么？ 1.因为程序的功能就是针对于性能设计，POWELL教授称之为用专业的程序解决专业的抗震问题； 2.丰富的

9、构件模型、材料模型及开放式的参数设置，不需要像ABAQUS样的自已定义材料子程序； 3.经典的隐式计算方法，相对于常见的通用有限元软件来说，一旦收敛，速度非常快，精度非常高； 4.所有的参数都是基于理论分析以及大量的实验结果取值。性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD. Perform3D 的构件模型1.框架梁的构件模型 框架梁的受弯可以用 FEMA杆、弯矩-转角（集中塑性铰模型）、弯矩-曲率、纤维模型。受剪可以直接

10、定义强度剪面。性能评估在Perform3D中的实现 FEMA杆的问题在哪？ 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD. 一般来说，除非特殊情况，如框支梁等受力复杂的梁、截面复杂的梁如型钢混凝土梁可以考虑用纤维截面，常规的梁建议用弯矩-转角模型，即集中塑性铰模型，非线性参数简单，计算效率高又可以保证足够的精度。性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Arch

11、itectural Design Institute CO. LTD.2.连梁的构件模型 连梁的受弯可以用 FEMA杆、弯矩-转角、弯矩-曲率、纤维模型。受剪可以用剪切铰或者强度截面（比较重要的连梁可以用强度截面）。性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.3.框架柱的构件模型 框架柱的受弯可以用 FEMA杆、考虑压弯耦合的弯矩-弦转角、弯矩-曲率、纤维模型。受剪可以直接定义强度剪面。 一般来说，除非特殊情况，框架柱考

12、虑用考虑压弯耦合的弯矩-转角模型，复杂截面的可以考虑用纤维截面，性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.性能评估在Perform3D中的实现框架柱弯矩-转角模型示例 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.性能评估在Perform3D中的实现框架柱纤维模型示例 中中 南南 建建

13、 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.4.剪力墙构件模型 纤维模型：压弯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。受剪采用强度截面监测。性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.性能评估在Perform3

14、D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.杆单元的问题在哪？双轴本构基于的是损伤理论的问题在哪？性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-s

15、outh Architectural Design Institute CO. LTD. Perform3D 构件的骨架曲线及滞回1.骨架曲线-F-D关系 性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.2.滞回性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LT

16、D. Perform3D 对构件的性能水准评价方法 针对不同的构件有不同的性能评价指标，考虑了强度-延性的关系 ，指标是综合大量的实验结果以及构件性能设计的本质而给出，适用性及操作性非常强。 同时Perform3D软件输出的结果是利用率，即构件的转角计算值（或者材料的应变计算值）与对应的性能水准的限值的比值，并用彩色云图的方式输出，如彩色云图中的0.8对应的颜色就表示构件转角（或者材料应变）的计算值达到了该性能水准限值的0.8倍。结果非常容易理解而且形象，便于我们很直观的找出构件的强度利用情况。性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限

17、限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.从以上表格可以看出，Perform3D采用了两种模型进行弹塑性分析，一是塑性铰模型，一是纤维模型。塑性铰模型是一种相对宏观的模型，主要是从构件层面上描述，以力-变形的关系方式给出构件的性能状态，省去对材料复杂本构关系的讨论。FEMA356及ASCE41-06(

18、13)对其进行了全面详尽的探讨，给出了不同情况下塑性铰性能评价的建议。参考FEMA356和ASCE41-06，但对于材料层面的应力应变的评价，目前主要是采用国内的防连续倒塌设计规程意见稿（清华大学钱稼茹教授）以及国内部分大院、高校的实验成果进行评价。性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD. Perform3D 对结构整体抗震性能评价方法采用能量的观点给出结构各类构件的耗能情况，包括弹塑性耗能、阻尼耗能、阻尼器耗能等，

19、便于我们很清晰的知道整体结构的耗能情况，全面了解结构的抗震性能。性能评估在Perform3D中的实现 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.实例及程序测试从以上报告可以看出，Perform3D的前、后处理非常不友好，基本不可能纯手动建立一个有限元模型，大量的工作，对于一位操作非常熟悉的工程师来说，做一栋超高层的模型处理得一个月时间。时间花费太大。因为国内开发了不少前、后处理程序，以Pkpm-Perform3D（PtoP）最为有名。 中中 南南 建建 筑

20、筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.实例及程序测试 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.实例及程序测试 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.实例及程序测试 中中 南南 建建 筑筑 设

21、设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.实例及程序测试 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.实例及程序测试 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.实例及程序测试 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.实例及程序测试 中中 南南 建建 筑筑 设设 计计 院院 股股 份份 有有 限限 公公 司司Central-south Architectural Design Institute CO. LTD.与其他程序的对比和midas-gen以及midas-building对比来看：对于GEN：1.前、后处理非常方便；2.剪力墙没有纤维模型，无法考虑墙中性轴的移动对结构受力的影响；3.性能评价：GEN用的是相对延性系数，