弹塑性时程分析在PERFORM-3D中的实现工程振动.doc

弹塑性时程分析在PERFORM-3D中的实现 提 要 PERFORM-3D是三维结构非线性分析与性能评估软件，它是基于结构构件（梁、柱、墙等）的弹塑性力学行为来对整个结构进行弹塑性分析评估，这种方法更加贴近工程师对结构的力学性能的理解，得到的结果也更加符合工程实践的判断。本文从结构构件如何在程序中模拟，动力弹塑性时程分析中的滞回环、阻尼、时程积分方法以及程序的计算效率问题进行了阐述。 关键词 弹塑性时程分析 剪力墙 滞回环 1 概述 PERFORM-3D（Nonlinear Analysis and Performance Assessment for 3D Structure）三维结构非线性分析与性能评估软件，它的前身为美国加州大学Berkeley分校的鲍威尔教授（Prof. Graham H. Powell）开发的Drain-2DX和Drain-3DX，是一个致力于研究抗震设计的非线性软件工具。通过使用以变形为基础或者以强度为基础的极限状态来对复杂结构进行非线性分析，其中包括错综布置的剪力墙结构。PERFORM-3D为用户提供了一个复杂地震工程工具来进行静力Pushover分析和动力弹塑性时程分析。 由于PERFORM-3D是以结构工程基本概念为基础，以结构构件的力学性能设定为前提，通过结构分析手段来得到整体结构的性能评估，符合工程师对结构性能的理解，其分析结果易于用结构概念和试验来进行验证，所以在美国得到了广大工程界的认可，特别是PERFORM-3D一直是美国科研机构和高校作为结构非线性性能评估的主要工具与手段，在FEMA系列规范制定的过程中起着举足轻重的作用。 现在鲍威尔教授已加入CSI公司，其PERFORM-3D也加入了CSI结构分析与设计软件系列，通过ETABS和SAP2000，PERFORM-3D可以更好地为结构工程师服务。 2 结构构件的模拟 2.1梁柱构件的模拟 梁和柱可以采用两种方法在PERFORM-3D中进行模拟，一为采用塑性铰的形式，此时塑性铰的骨架曲线需要人工输入；另一种方法为采用纤维截面来模拟，这时程序可以通过材料的本构关系自动确定截面的塑性特性。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（例如：XTRACT、RESPONSE、CSI公司的Section uilder等）；或者采用纤维截面来模拟。 2.2剪力墙构件的模拟 剪力墙一般由墙肢和连梁组成，墙肢的受力特性和柱比较相似，基本满足平截面假定，地震作用下产生剪切破坏或者弯曲破坏，比较矮的连梁在地震作用下产生剪切破坏或者弯曲破坏，比较高的连梁，地震作用下产生剪切破坏。 根据钢筋混凝土剪力墙的受力特点，需要模拟其弯曲破坏和剪切破坏特性，对于弯曲破坏特性采用纤维截面来模拟，剪切破坏特性采用一种剪切材料来模拟[1]。 1）弯曲和轴力特性： P-M的相关性 移动的中性轴在弹性的分析模型中是不能模拟的，在非线性分析中，截面的中性轴是变化的，不断偏移的，取决于P/M的比率和混凝土开裂的数量和滑移，在PERFORM-3D中P-M的相关性是用纤维截面来模拟的，对于钢筋混凝土剪力墙就需要采用钢筋纤维和混凝土纤维。 b) 钢筋纤维和混凝土纤维截面 钢筋纤维可以屈服，可以模拟钢筋纤维屈服后的刚度滞回退化效应；混凝土可以开裂，同时可以滑移，通常设定混凝土的抗拉强度为零，除非要真实的模拟滑移，通常忽略混凝土的脆性强度损失。 在PERFORM-3D中轴向的变形和弯曲影响纤维截面，其他的变形不影响纤维截面的变形，在PERFORM-3D中用纤维截面考虑P-M的相关性。 2剪切特性： 对于钢筋混凝土剪力墙的剪切效应，PERFORM-3D中综合考虑混凝土和配有钢筋的作用而采用等效剪切模量，其值和钢筋混凝土剪力墙的配筋率有关，关于这一点的更详细的信息参见PERFORM COMPONENTS AND ELEMENTS 技术手册[]。3 动力弹塑性时程分析方法在PERFORM-3D中实现的几个问题 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。 3.1滞回环 在循环荷载的作用下，非线性构件耗散能量，耗散能量的大小为滞回环所包围的面积，因此滞回环的大小和形状将很大程度上影响结构的响应。 在非线性静力推覆分析（Nonlinear Static Pushover Analysis）中，滞回环是在考虑的（非线性静力推覆分析中没有循环荷载），由于动力荷载的存在，不同的结构构件将会有不同的滞回环，因此滞回环必须明确地给出。PERFORM-3D可以对滞回环进行完全的控制，滞回环采用YULRX骨架曲线形式。下面就滞回环的以下几个问题在PERFORM-3D