【JY】ETABS彈塑性時(shí)程分析的性能校核

建源之光 - 減隔震

2023年2月22日 10:33

瀏覽：2782 評論：1 收藏：1

【JY】ETABS彈塑性時(shí)程分析的性能校核的圖1

在完成彈塑性時(shí)程分析之后，會(huì)得到大量的數(shù)據(jù)，如何在大量的數(shù)據(jù)中提取出有用的信息，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評估成為了一個(gè)非常重要的課題。通常來講我們會(huì)從整體結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)構(gòu)件兩個(gè)層面分別進(jìn)行評估，其中結(jié)構(gòu)層面的評估一般是通過頂點(diǎn)位移時(shí)程、最大層間位移角以及基底剪力時(shí)程等大指標(biāo)確定；而構(gòu)件層面則是通過轉(zhuǎn)角、力以及應(yīng)變等構(gòu)件指標(biāo)確定。本文主要介紹如何在ETABS中進(jìn)行構(gòu)件性能校核。

1 可接受準(zhǔn)則

在ETABS中，構(gòu)件的性能校核結(jié)果高度依賴于可接受準(zhǔn)則，可接受準(zhǔn)則即各種性能指標(biāo)對應(yīng)不同性能狀態(tài)的界限值。性能校核指標(biāo)主要分為兩大類，一類是變形、內(nèi)力指標(biāo)，一類是應(yīng)力應(yīng)變指標(biāo)。變形、內(nèi)力指標(biāo)主要是指構(gòu)件的轉(zhuǎn)角、變形、內(nèi)力等構(gòu)件的一些宏觀行為，通常在塑性鉸或構(gòu)件中指定；應(yīng)力應(yīng)變指標(biāo)則主要是采用應(yīng)力或應(yīng)變作為衡量指標(biāo)，通常在材料定義中指定。

1.1 塑性鉸可接受準(zhǔn)則

ETABS中的塑性鉸可分為延性鉸和脆性鉸，其中延性鉸的可接受準(zhǔn)則多為轉(zhuǎn)角或變形，例如：M3鉸和PMM鉸采用轉(zhuǎn)角作為可接受準(zhǔn)則，而P鉸則采用軸向變形為可接受準(zhǔn)則，如圖1和圖2。

圖1 M3鉸可接受準(zhǔn)則

圖2 P鉸可接受準(zhǔn)則

脆性鉸則會(huì)采用力作為可接受準(zhǔn)則，如圖3。

圖3 V鉸可接受準(zhǔn)則

1.2 連接單元可接受準(zhǔn)則

連接單元在定義時(shí)，也可以添加可接受準(zhǔn)則，可以采取力或變形作為可接受準(zhǔn)則，如下圖所示。

圖4 連接單元可接受準(zhǔn)則設(shè)置

1.3 位移計(jì)（Gauge）單元可接受準(zhǔn)則

位移計(jì)單元并非分析單元，而是一種后處理單元。位移計(jì)單元有兩種，一種為兩點(diǎn)位移計(jì)，一種為四點(diǎn)位移計(jì)。位移計(jì)單元更像是一種帶有可接受準(zhǔn)則的廣義位移，因?yàn)槲灰朴?jì)單元是獲取到節(jié)點(diǎn)信息后，進(jìn)行處理得到相關(guān)指標(biāo)，而非直接獲取單元的信息。

兩點(diǎn)位移計(jì)。兩點(diǎn)位移計(jì)的類型（Gauge Type）可以選擇為“Rotation（轉(zhuǎn)動(dòng)）”或者“Translation（平動(dòng)）”，用戶可以輸入應(yīng)變或轉(zhuǎn)角的可接受準(zhǔn)則，如圖5。用戶在使用時(shí)，應(yīng)該非常注意，這里面的應(yīng)變和轉(zhuǎn)角并不同于常規(guī)意義上的應(yīng)變和轉(zhuǎn)角。我們通常說的應(yīng)變是截面中某一個(gè)纖維的應(yīng)變，而位移計(jì)單元中的應(yīng)變則是通過桿件兩端的節(jié)點(diǎn)位移做差后除以桿件長度得到的，即

，這是一個(gè)宏觀上對構(gòu)件的描述，并且位移計(jì)單元是可以跨單元使用的。所以兩點(diǎn)位移計(jì)常常用在分層殼模擬的剪力墻兩端，檢測剪力墻邊緣區(qū)混凝土是否被壓潰。如圖6所示，在墻體邊緣沿層高布置了兩點(diǎn)位移計(jì)（綠色線條），通過這些位移計(jì)可以評估墻體邊緣在層高范圍內(nèi)的總體變形。當(dāng)然，兩點(diǎn)位移計(jì)的使用非常靈活，用戶需要依據(jù)實(shí)際的情況靈活應(yīng)用。

圖5 兩點(diǎn)位移計(jì)定義

圖6 兩點(diǎn)位移計(jì)的使用

四點(diǎn)位移計(jì)。四點(diǎn)位移的類型（Gauge Type）可以選擇為“Rotation（轉(zhuǎn)動(dòng)）”或者“Shear（剪切）”，Direction可以選擇為“Pier”或“Spandrel”，用戶可以輸入剪應(yīng)變或轉(zhuǎn)角的可接受準(zhǔn)則，如圖7。與兩點(diǎn)位移計(jì)相似，四點(diǎn)位移計(jì)獲得的指標(biāo)也是一種宏觀指標(biāo)，只不過是將節(jié)點(diǎn)數(shù)量擴(kuò)展到4個(gè)，并且通過Direction來判斷指標(biāo)的方向，“Pier”為墻肢，是豎直方向，“Spandrel”為連梁，是水平方向。

圖7 四點(diǎn)位移計(jì)定義

四點(diǎn)位移計(jì)單元可以與ASCE41-17規(guī)范中的一些要求建立對應(yīng)關(guān)系，如圖8所示，分別為墻肢轉(zhuǎn)角，用于彎曲行為占主導(dǎo)的情況，適合于高寬比較大的墻肢，如超高層結(jié)構(gòu)中的核心筒均屬此例；墻肢剪切變形，用于剪切行為占主導(dǎo)的情況，適用于矮墻，例如錯(cuò)洞墻，以及連梁的弦轉(zhuǎn)角，適用于剪切控制連梁，通常采用分層殼進(jìn)行模擬。

圖8 ASCE41-17中對構(gòu)件行為的描述

1.4 墻肢（連梁）內(nèi)力可接受準(zhǔn)則

由于剪力墻剪切破壞是一種脆性破壞，所以剪力墻在設(shè)計(jì)中通常需要滿足強(qiáng)剪弱彎的要求，墻肢（連梁）內(nèi)力可接受準(zhǔn)則就是專門用于抗剪能力的校核。其中可接受準(zhǔn)則的類型可以是：力、應(yīng)力或應(yīng)力比，即Acceptance Criteria Type可以選擇“Force”、“Stress”或“Stress as Ratio of Sqrt（(fc’)”, “Force”方法適應(yīng)性更強(qiáng)，可以依據(jù)實(shí)際墻肢配筋情況計(jì)算墻肢抗剪承載力后輸入；“Stress”方法則更為簡單一些，可以對混凝土等級相同的墻肢進(jìn)行統(tǒng)一定義；“Stress as Ratio of Sqrt（f＇c）”更為簡單，但是僅適用于美標(biāo)，而不適用于中國規(guī)范。

此外，ETABS依據(jù)墻肢軸力的不同，可以考慮軸力對抗剪承載力的影響，如圖9所示，拉力會(huì)降低墻肢的抗剪承載力，而壓力則會(huì)增加墻肢的抗剪承載力，但是當(dāng)拉力/壓力增加到一定程度后，抗剪承載力維持不變，這與中國規(guī)范中的抗剪承載力公式是相似的。連梁內(nèi)力可接受準(zhǔn)則更加簡單一些，如圖10所示。但是用戶需要注意的是，必須對殼單元設(shè)置有相應(yīng)的墻肢/連梁標(biāo)簽后，才可以指定墻肢（連梁）內(nèi)力可接受準(zhǔn)則。

圖9 墻肢內(nèi)力可接受準(zhǔn)則

圖10連梁內(nèi)力可接受準(zhǔn)則

1.5 材料可接受準(zhǔn)則

材料可接受準(zhǔn)則主要用于墻鉸和纖維鉸性能狀態(tài)的判斷，程序會(huì)獲取墻鉸或纖維鉸中同一材料最大的纖維應(yīng)變，然后依據(jù)材料的可接受準(zhǔn)則進(jìn)行判定，當(dāng)存在多種材料時(shí)，以最不利的判斷為最終結(jié)果。這與其他的可接受準(zhǔn)則不同，是一種微觀層面的判定。此時(shí)我們應(yīng)該注意的是，鉸的長度會(huì)對這項(xiàng)指標(biāo)非常敏感。在ETABS中我們更加推薦使用轉(zhuǎn)角或者位移計(jì)（gauge單元）等對構(gòu)件進(jìn)行性能評估。

圖11 材料的可接受準(zhǔn)則

2 性能校核

在ETABS中，用戶可以通過顯示>變形圖命令，顯示任意時(shí)刻下結(jié)構(gòu)的出鉸情況，通過鉸不同的顏色，顯示出鉸不同的狀態(tài)，如圖12所示。但是圖中只能對塑性鉸、纖維鉸和墻鉸狀態(tài)進(jìn)行的判斷，并且無法對相同性能狀態(tài)下，不同鉸的塑性程度進(jìn)行區(qū)分。此時(shí)，用戶應(yīng)該通過性能校核功能對構(gòu)件狀態(tài)進(jìn)行量化評估。

圖12 鉸狀態(tài)顯示

用戶可以通過定義>性能校核命令定義性能校核數(shù)據(jù)，如圖13。首先是需求集列表，通常可以按照地震輸入不同進(jìn)行劃分，同時(shí)還可以對不同需求集的校核結(jié)果進(jìn)一步處理：取均值+標(biāo)準(zhǔn)差或取最大值。對應(yīng)中國規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)取三組加速度時(shí)程曲線輸入時(shí)，計(jì)算結(jié)果宜取時(shí)程法的包絡(luò)值，當(dāng)取七組加速度時(shí)程曲線輸入時(shí)，計(jì)算結(jié)果宜取時(shí)程法的平均值。其次是需求集對應(yīng)的工況，通常對應(yīng)為X向和Y向時(shí)程工況。最后是性能評價(jià)指標(biāo)，用戶可以選擇全部或部分性能評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行性能校核，用于性能校核耗時(shí)較長，建議適當(dāng)選擇所需的指標(biāo)。

圖13性能校核定義

用戶可以通過顯示>性能校核命令查看性能校核的結(jié)果，如圖14所示。

圖14 性能校核結(jié)果查看

并且用戶還可以通過選項(xiàng)>圖形顏色>輸出命令調(diào)整顏色以及D/C比的數(shù)值，如圖15所示。

圖15 輸出顏色設(shè)置

3 結(jié)語

本文介紹了塑性鉸、連接單元、位移計(jì)單元、墻肢內(nèi)力以及材料的可接受準(zhǔn)則的設(shè)置，并介紹了性能校核功能的定義與顯示。截至發(fā)稿時(shí)，由于這部分功能的界面漢化工作正在進(jìn)行中，本文的部分插圖還是英文界面，但在即將發(fā)布的ETABSv19.1.0版本將實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能菜單的漢化。

ETABS作為一款工程分析與設(shè)計(jì)軟件，從工程概念出發(fā)，更關(guān)注結(jié)構(gòu)構(gòu)件層面的變形或力的變化。通過不同類型、不同層面的可接受準(zhǔn)則，結(jié)合性能校核功能，能綜合評估建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

(完)

往期推薦 ·

#性能分析

【JY】基于性能的抗震設(shè)計(jì)淺析（一）

【JY】基于性能的抗震設(shè)計(jì)淺析（二）

【JY】淺析消能附加阻尼比

【JY】近斷層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略分析與討論

【JY】淺析各動(dòng)力求解算法及其算法數(shù)值阻尼(人工阻尼)

理念

【JY|體系】結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)之(結(jié)構(gòu)體系概念)

【JY|理念】結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)之(設(shè)計(jì)理念進(jìn)展)