PERFORM-3D技术报告

PERFORM-3D技术报告引言报告中主要就以下几个问题进行了阐述：1梁和柱在PERFORM-3D中如何模拟，总的来说可以采用两种方法，一个为采用塑性铰的形式，此时塑性铰的骨架曲线需要人为的输入；另一个就是采用纤维截面来模拟，这时程序可以通过材料的性质来自动确定截面的性质。特别对于钢骨混凝土和钢管混凝土形式的梁柱截面，如果采用塑性铰来模拟其塑性，需要输入这些截面塑性铰的骨架曲线，骨架曲线的来源为实验或者截面计算工具；或者采用纤维截面来模拟，这时程序可以通过材料的性质来自动确定截面的性质；2剪力墙的模拟，对于轴力和弯矩效应采用纤维截面来模拟，对于剪切效应采用钢筋混凝土综合的一个剪切材料来模拟；3PERFORM-3D中实现Pushover分析方法的技术细节；4PERFORM-3D中实现动力弹塑性分析方法的技术细节。1钢筋混凝土梁柱的模拟1.1混凝土梁的定义和实现过程：A定义截面尺寸，截面尺寸为矩形和工字形可以直接输入参数就可以，截面属性可以自己定义，对于其他形状可以通过输入截面属性的形式来进行定义，这里以矩形截面为例：输入截面尺寸，可以自动计算截面属性，需要输入弹性模量、泊松比，剪切模量可以自动换算；确定非线性强度，在这一步需要输入屈服弯矩，此弯矩和配筋率有关；程序本身不能计算屈服弯矩，需要人为确定。1.2定义截面的塑性铰特性这里采用FEMABEAM，CONCRETE形式：可以选择我们前一步定义的截面RCBEAM弹性刚度可以读过来，不用人工输入；BasicF-D关系，FU值可以从截面定义的数中读到，需要输入X点的转角；指定强度损失，需要人为的输入L，R点的转角和FR/FU的值。变性能力和FEMA规范的IO，LS，CP几个阶段对应。1.3混凝土梁构件的形成通过以上A，B，C三步混凝土梁组件就建立完成。1.3钢筋混凝土柱的模拟和钢筋混凝土梁的模拟类似，只是在定义塑性铰时采用P-M-M形式。1.4可以采用纤维截面来模拟混凝土梁和柱，截面的屈服可以直接读取材料的性质，用纤维截面会使程序的运算量加大。2钢截面2.1钢材料的梁和柱模拟过程和钢筋混凝土梁柱类似。2.2可以采用纤维截面来模拟，截面的屈服可以直接读取材料的性质。3型钢混凝土截面3.1可以等效为钢筋混凝土，通过输入截面破坏的骨架曲线来确定塑性性能。3.2钢管混凝土和型钢混凝土可以采用纤维截面来模拟，分别输入钢纤维和混凝土纤维，通过读取钢材和混凝土的材料属性来判断构件屈服。4钢筋混凝土剪力墙的模拟4.1轴力和弯矩效应采用纤维截面来模拟A钢筋的定义B混凝土材料的定义4.2剪切特性通过输入钢筋混凝土剪力墙综合的一个剪切特性来模拟。剪力墙截面定义4.3剪力墙组件的定义5Pushover分析在PERFORM-3D中的实现在这一部分中将详细的介绍PERFORM-3D中Pushover方法实现的细节问题。5.1荷载的施加求解过程中的位移控制或者力控制问题在弹性阶段力控制方法比较有效，然而进入到塑性阶段力的控制方法很难的到收敛的解，因此常采用位移控制方法。首先施加重力荷载，保持重力荷载存在的情况下施加侧向荷载。结构荷载施加的过程包括力控制和位移控制，当结构求解过程中采用力控制时，如图1所示，结构施加的力每一步为一定值，对于非线性分析当施加的力超过结构的承载能力时将得不到收敛的解。在Pushover分析中重力荷载施加通常采用力控制，这一步分析通常为线性的。如果荷载超过结构的强度将得不到解施加力的值每步为定值得到不等的结构位移的增加力位移图1力控制在侧向力作用下结构通常会进入非线性阶段，对这一步的分析通常采用位移控制，位移控制时施加的侧向荷载仅仅为荷载的分布模式，并不是荷载的大小，这时每一步推覆的位移是一定的，荷载的大小通过每一步的位移值反算得到，对于位移控制，力的每一步的增加是不确定的，这时位移的增加每一步是确定的，和位移对应的荷载是计算出来的，如图2所示。得到不等的力的增加施加的位移值每步为定值力位移力可以负增长图2位移控制5.2非线性求解的策略PERFORM-3D运用事件到事件的求解策略，从本质上将完全的非线性行为按照事件到事件的方式描绘出来。最普通的事件包括屈服和卸载，当然也包括一些其它的事件。施加的位移增量力位移13524图3位移控制的事件到事件求解策略下面介绍一下事件到事件的的求解策略的步骤，图3所示为位移控制的事件到事件的求解策略的步骤示意图，这里取了其中的一步位移增量作为说明，在位移增加了一个增量后程序将按照上一部计算结束时的刚度进行一次线性求解，如图中的1-2步，在这个过程中将会察觉到一些非线性事件，第3步为返回到非线性事件的发生点，第四步为重新计算此时的结构刚度，第5步按照第4步计算的结构刚度进行一次线性分析，如果这个过程中仍然捕捉到非线性事件，程序将继续重复3，4，5步。荷载控制的事件到事件的求解策略与位移控制类似如图4所示，这里不再重复说明。位移增量力位移施加的荷载增量图4荷载控制的事件到事件求解策略5.3可靠性和效率问题事件到事件的方法为一种非常可靠的方法。他可用于位移控制或荷载控制的静力弹塑性分析方法，或者进行动力弹塑性时程分析。他的主要缺点为每一次事件都要修改刚度矩阵。如果结构的大小增大它的事件趋向于增大，同样修改模型的刚度矩阵的计算时间也会增多。因此对于大型的结构的计算时间将会迅速的增加。当然也有其他一些非线性求解的策略，有时它们计算可能会很快，但是有时它们很难操作，并且稳定性不是很好。5.4控制位移在一个位移控制的静力分析中，位移是每一步均匀增加的，在PERFORM-3D中的Pushover分析中，我们可以控制两个位移：（1）参考位移（2）一个或多个控制位移。参考位移通常为结构的顶点位移，当我们绘制一个结构的Pushover曲线时，图形的X轴为参考位移，Y轴为基底剪力。如果分析中只有一个控制位移通常为顶点位移，在分析中它在每一步都是均匀增加的。然而有时结构的顶点位移可能没有很好的性能，在每一步分析中不是都在增加。在这种情况下就有必要用多个控制位移。5.5PERFORM-3D中需要人为指定的参数aPushover侧向力模式，可以选择（1）指定的荷载，（2）荷载基于质量的变形形式，（3）荷载基于模态的形式；b最大侧移值，指定一个合理的值；c位移步数，建议为50，不要用太大的数量；d每一步中的最大事件数。如果分析中不收敛将停止计算；e如果结构的位移变得不合理的大，限制状态将会停止分析。例如如果构件的变形超过它的F-D关系中的X点；f控制位移，不要依赖于单一的控制位移，特别是对于能力损失比较大的结构；g事件容差的数值，默认为1%，对于比较大的结构可以加大此值。6动力弹塑性时程分析方法在PERFORM-3D中的实现方法在这一部分中将详细介绍PERFORM-3D中动力弹塑性时程方法实现的细节问题。6.1动力弹塑性PERFORM-3D滞回环在循环荷载的作用下，非线性构件的耗散能量，耗散能量的大小为滞回环的面积，滞回环的大小和形状将很大程度上影响结构的反应。在非线性静力分析，滞回环是在暗中考虑的（在静力非线性分析中没有循环荷载），由于动力荷载的存在滞回环必须明确地给出。不同的结构组件将会有不同的滞回环。PERFORM-3D可以对滞回环进行完全的控制，软件中滞回环的基础为YULRX骨架曲线形式。PERFORM-3D滞回环中的能量退化能量退化参数可以人为的指定，它将取决于最大的变形，如下面的例子所示。退化后的滞回环的面积=（non-degradedarea）X（degradationfactor）；PERFORM-3D自动调整卸载-加载刚度来给出要求的能量退化。能量退化系数一般通过实验或数值模拟得出。PERFORM-3D滞回环中的卸载刚度以上三个图具有相同的能量退化：A中具有最大的卸载刚度和最小的弹性范围；B中具有最小的卸载刚度和最大的弹性范围；C介与A和B之间。PERFORM-3D中可以控制滞回环的形状，A和B为两个最极端，以上的图是显示的双线性的F-D关系，三线性的与之类似。PERFORM-3D滞回环中交互式应力损失在没有交互式应力损失的情况下，如果应力损失发生在一个方向在另一个方向将没有应力损失；在完全考虑交互式应力损失的情况下，如果应力损失发生在一个方向在另一个方向将产生同样的应力损失。PERFORM-3D中可以控制滞回环的形状，完全考虑和完全不考虑只是两个极端。PERFORM-3D滞回环的特殊情况a支撑屈曲单元包含循环膨胀；b屈曲支撑具有特殊的滞回环；c混凝土材料在受拉时开裂具有特殊的卸载-加载行为。PERFORM-3D中纤维截面的滞回环PERFORM-3D基础的滞回环不允许出现捏拢的形状，然而，钢筋混凝土纤维截面的确有可能出现捏拢的滞回环。6.2阻尼阻尼的目的a弹性结构的耗能通常是通过各种各样的机械能，通常在分析中被模拟为粘滞阻尼；b如果结构屈服，它的耗能将会更直接，通过非线性行为，构件的耗能通过构件滞回环的面积来衡量。c滞回耗散能量并不能完全计算结构的耗能，这里仍然有大量的弹性能量的耗散，弹性能量的耗散仍然模拟为粘滞阻尼。d在非线性分析中没有模态的形状，所以5%的模态阻尼比不能用（当然也可以用，就是在每一步非线性事件发生时计算一边模态形状，这样将是不切合实际的），对于弹性能量的耗散PERFORM-3D运用两种模式，分别为Rayleigh阻尼和模态阻尼。e对于直接积分法的非线性时程分析，弹性能量的耗散PERFORM-3D运用Rayleigh阻尼。阻尼矩阵和阻尼力在每一个时间点动力分析满足下面的平衡方程：externalinternalKMCRRRRR对于线性分析：KRKr对于非线性分析：tanKgentallstepsRKr对于线性和非线性分析：MRMr通常CRCr质量和刚度矩阵M和K很容易确定。对于阻尼力我们需要一个阻尼矩阵C。Rayleigh阻尼M阻尼器连接质量和大地，它贡献外部阻尼力；K阻尼器和结构单元并联，它贡献内部阻尼力；阻尼矩阵为：CMK；Rayleigh矩阵的物理意义非常明确，但是怎么选择,值并不是十分的明确。Rayleigh阻尼：线性分析对于线性分析，系数,基本可以通过常数阻尼比和模态周期来确定。一个可行的方法为：选择Tb=0.9倍的第一阶周期，选择Ta=0.2倍的第一阶周期，在给定的阻尼比（比如说0.05）下计算,，阻尼比在前几阶模态基本为常数，阻尼比对于高阶模态会变大。Rayleigh阻尼在PERFORM-3D中建议的取值方式：a选择阻尼比对于混凝土结构0.05；b确定0.2倍和0.9倍的弹性第一阶周期；c在PERFORM-3D中计算结构第一阶周期，然后计算,值。线性分析时的模态阻尼对于一个线性分析是可以解耦的，于每一阶模态结构的振动是独立的，所以每一阶模态的阻尼也是独立的。模态阻尼对应于如下的一个阻尼矩阵：对于第n阶模态：4()()TnnnnnCMMT对于整个结构：nCC这里：为阻尼比，T为周期，M为质量矩阵，为模态形状。模态阻尼同时提供外部和内部阻尼力，这一点和Rayleigh阻尼有所不同。对于线性分析PERFORM-3D运用同样的阻尼矩阵，这个阻尼矩阵取决于模态的形状和初始的弹性结构，阻尼矩阵保持不变。当结构屈服，瞬态的结构模态形状和周期存在，当然这时可以重新计算阻尼矩阵，但是此时将会耗费具大的计算时间。改变结构的阻尼矩阵也不是一个好的方法，阻尼矩阵的改变会导致方程的突然不平衡。模态阻尼对于刚度矩阵的影响。对于质量矩阵M为对角阵。对于刚度矩阵K为带状矩阵。对于Rayleigh阻尼：CMK，所以C为带状的。模态阻尼和Rayleigh阻尼的组合。假定结构具有N个自由度，（比如说N=10000）模态矩阵考虑了M个模态（比如说M=20）因此这里会有没有阻尼的自由的自由度，（10000-20=9980），这样是不好的。通常加入一个比较小的KRayleigh阻尼来控制高频振动。例如指定5%的模态阻尼比加上第一阶的模态阻尼比为0.02%的K阻尼。6.3时程积分动态平衡方程：