Perform+3D-入门实战指导

Perform3D入门教程鼎宸结构深圳一部：冯更帅2013-07-290.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。ε=σ/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图2-13不同强度混凝土的应力-应变关系曲线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）1.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。2.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。3.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。4.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.Onceananalysismod