【JY】ETABS与Perform3D弹塑性分析功能对比示例
ETABS的發(fā)展迅猛,Perform-3D高效穩(wěn)定,它們各有所長,相關(guān)鏈接可看:
【JY】結(jié)構(gòu)工程分析軟件討論(上)
【JY】結(jié)構(gòu)工程分析軟件討論(下)
經(jīng)過十余年的推廣和實踐,Perform-3D作為專業(yè)的建筑結(jié)構(gòu)非線性分析與性能評估軟件在國內(nèi)已獲得廣泛認(rèn)同。
ETABS也是國內(nèi)工程師們熟知的多高層建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計軟件,抗震、減隔震的彈塑性分析一直是ETABS優(yōu)勢功能之一。
從ETABS2016版本開始,ETABS不斷借鑒Perform-3D的功能特點加強完善性能化設(shè)計相關(guān)的功能,并進一步提升彈塑性分析效率。當(dāng)前的ETABS 目前已經(jīng)融合了Perform-3D許多特色功能,建筑結(jié)構(gòu)非線性分析與性能評估也成為ETABS的功能亮點。對此,不少用戶關(guān)心兩個產(chǎn)品在這方面的使用方法和應(yīng)用體驗有什么區(qū)別。(目前ETABS的分析功能基本與Perform-3D融合)
本文試圖從一個簡單例子入手,對比ETABS v18.1.0和Perform-3D v7抗震彈塑性分析的相關(guān)功能,從應(yīng)用的角度帶來一些直觀的認(rèn)識,供工程師們使用產(chǎn)品時參考。
1、模型概況
本例為5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),規(guī)則對稱。本文借用這個例子來展示功能,并不探討結(jié)構(gòu)本身的合理性。
該模型的框架梁端指定了塑性鉸(彎矩鉸),框架柱兩端指定了纖維鉸,施加雙向地震時程作用。分別獨自建立ETABS模型(圖1)和Perform3D模型(圖2),并盡量保證兩個模型的一致性。表1、圖3~圖5是部分計算結(jié)果對比,可以看到兩個軟件的計算結(jié)果吻合得較好。下文將逐一對比介紹模型的設(shè)置及相應(yīng)的軟件功能。
圖1? ETABS模型
圖2? Perform-3D模型
圖3??層間位移角
圖4? X方向基底剪力??
?圖5??頂點位移
2、非線性分析設(shè)置
2.1材料本構(gòu)
本例使用的材料有C30、C35和HRB400。材料的非線性參數(shù)主要包括:應(yīng)力-應(yīng)變曲線、可接受準(zhǔn)則和滯回模型。材料的可接受準(zhǔn)則通過材料應(yīng)變來定義,用于使用纖維單元的構(gòu)件性能評估。以下以C30為例對比本例材料參數(shù)的設(shè)置。
2.2纖維鉸
本例框架柱使用了纖維鉸,相關(guān)操作包括定義纖維截面、纖維段長度等。以下是本例底部中柱的纖維鉸定義。
2.3塑性鉸
本例框架梁使用了塑性鉸(彎矩鉸)。塑性鉸的定義主要包括:骨架曲線、可接受準(zhǔn)則、滯回模型。ETABS內(nèi)置了ASCE 41-13和ASCE 41-17兩本規(guī)范,可以根據(jù)截面信息自動生成相應(yīng)的塑性鉸。本例的梁鉸即自動鉸,相關(guān)數(shù)據(jù)自動生成。Perform-3D的塑性鉸有多種類型,本例使用彎矩-轉(zhuǎn)角鉸,輸入的數(shù)據(jù)與ETABS一致。
2.4?鉸布置
框架的塑性鉸一般布置在構(gòu)件端部,建模時要確定鉸在桿件上的位置,以及鉸的長度,同時要避開節(jié)點區(qū)。本例中梁鉸是零長度的彎矩鉸,柱鉸是相對長度為0.2的纖維鉸。以下是兩個軟件關(guān)于鉸布置的相關(guān)操作,在操作過程中盡量確保模型的一致性。
2.5?阻尼、工況設(shè)置
2.6性能檢查
性能化設(shè)計一個重要的環(huán)節(jié)就是檢查結(jié)構(gòu)是否達到預(yù)期的性能目標(biāo),在建模期間設(shè)定的“可接受準(zhǔn)則”是構(gòu)件性能檢查的衡量尺度。Perform-3D通過建立一系列的極限狀態(tài)組(Limit State Groups),并檢查其使用率(usage ratio)來進行性能檢查。ETABS也引入了類似的做法,但從操作上簡便了許多。
3、結(jié)果查看
3.1?大指標(biāo)
基底剪力、頂點位移等力或變形的時程曲線兩個軟件都可以便捷地顯示,但對于層間位移角等與樓層相關(guān)的結(jié)果,ETABS的顯示更直觀,操作也簡單。能量圖的表達兩個軟件是類似的,既可顯示整個結(jié)構(gòu)的累計能量組成,也可按組顯示構(gòu)件耗能的情況,ETABS的顯示方式更靈活。
3.2?鉸結(jié)果
本例采用了塑性鉸和纖維鉸。以下以柱端纖維鉸為例說明典型的鉸結(jié)果顯示。
3.3性能評價
根據(jù)本文2.6節(jié)的定義,分析完成后可以查看各個構(gòu)件的性能狀態(tài)。ETABS將其稱為Hinge D/CRatios,Perform-3D將其稱為Usage Ratios,兩者的含義是一樣的,都是實際結(jié)果(如塑性變形)與目標(biāo)水準(zhǔn)的比值,可以理解為相對于目標(biāo)水準(zhǔn),各個構(gòu)件的損傷比率。通過Usage Ratios可以便捷地評估結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)。
以下是柱構(gòu)件在大震作用下IO水準(zhǔn)的損傷情況,圖中的數(shù)據(jù)代表了柱截面中最大的纖維變形與IO變形的比值,大于1即不滿足IO要求(本例僅展示功能,忽略構(gòu)件截面可能存在的不合理性)。本例選擇幾根典型的柱構(gòu)件,將兩個軟件計算的性能校核結(jié)果匯總于表2,可以看到兩個軟件計算結(jié)果吻合較好。
4、參數(shù)設(shè)置分析
Perform-3D分析效率很高是這款產(chǎn)品受歡迎的重要因素之一。
Perform-3D有一套相對“封閉”的求解策略,提供給用戶干預(yù)分析過程的參數(shù)很少。
ETABS則不同,有許多分析參數(shù)需要用戶根據(jù)模型情況進行設(shè)置,這些參數(shù)會顯著影響模型的分析時長。
ETABS默認(rèn)的分析參數(shù)設(shè)置適用于大多數(shù)情況。以下簡要說明兩個軟件分析相關(guān)的主要參數(shù),更詳細的解釋可查看軟件的聯(lián)機幫助或技術(shù)文檔。
本例中,Perform-3D的參數(shù)保持默認(rèn),ETABS則根據(jù)不同選項區(qū)分了幾種情況,將分析時長的數(shù)據(jù)結(jié)果匯總于表3。可以看到,如果分析參數(shù)設(shè)置恰當(dāng),ETABS的分析耗時已經(jīng)接近Perform-3D,這相對于早幾年的ETABS版本已經(jīng)有顯著的進步。
通過對表3的數(shù)據(jù)對比,對ETABS的參數(shù)設(shè)置有如下建議:
1)“鉸細分”會顯著影響分析時長,所以一般建議初次分析時關(guān)閉“鉸細分”,遇到收斂困難時,可對局部桿件打開“鉸細分”。
2)如果模型中出現(xiàn)塑性鉸的數(shù)量較多、塑性程度較深(如大震的情況),ETABS的分析耗時會增加,但仍然有提高效率的辦法。比如適當(dāng)加大收斂容差,在表3中,括號里的數(shù)據(jù)是將容差從0.0001放大為0.005后的計算時長。
3)本例中ETABS“ETE”的方法并沒有太大優(yōu)勢,也說明是否使用“ETE”是因模型而異的,“ETE”有助于收斂,但對于本例這種不存在收斂困難的模型,“ETE”在分析效率上并無優(yōu)勢。
注:
1)工況信息:單個雙向地震作用時程分析工況,持時40秒。
2)計算機信息:i5-4570 CPU@3.20GHz,RAM 8 GB,64位操作系統(tǒng)。
3)?鉸細分時鉸相對長度為0.2。
實際工程項目通常需要計算多條地震波,此時采用并行計算可以大大提高分析效率。Perform-3D于v6版本增加了并行計算功能(圖6)。ETABS于v18.1.0版本增加了該功能。圖7是ETABS的高級分析選項,在“分析進程”中選擇“獨立進程”即可實現(xiàn)并行計算。本例采用并行計算同時求解中震、大震兩個工況,計算時長匯總于表4(ETABS設(shè)置為僅迭代求解,收斂容差0.005)。對比表4與表3的數(shù)據(jù),明顯看到ETABS采用并行計算后計算效率又進一步提高。根據(jù)CSI的建議,高級求解器更適合處理大模型,常規(guī)模型多線程求解器求解速度更佳。
圖6? Perform-3D并行計算?
?圖7? ETABS高級分析選項
需要強調(diào)的是,本例分析時長的對比數(shù)據(jù),僅供參考,并不能由此斷言某種方式一定優(yōu)于另一種。因為非線性分析是一個非常復(fù)雜的過程,有太多因素影響分析的效率和精度,我們需要始終明確的是分析目的(什么樣的數(shù)據(jù)是關(guān)鍵有效的),而不是一味追求分析速度。
5、小結(jié)
本文從非線性材料定義、鉸定義和布置、工況定義、性能檢查、結(jié)果輸出、分析參數(shù)設(shè)置多個方面詳細對比了ETABS和Perform-3D的功能特點。
可以看到,ETABS經(jīng)過這幾年的發(fā)展已完全具備處理建筑結(jié)構(gòu)非線性分析及性能評估問題的能力,并且操作簡單。對于多數(shù)結(jié)構(gòu)工程師來講,ETABS操作環(huán)境更加友好,易學(xué)易用。
Perform-3D復(fù)雜的理論體系和繁雜的操作模式常常令很多工程師望而卻步,好在國內(nèi)已有很多工具實現(xiàn)了Perform-3D的前后處理,讓更多工程項目能使用Perform-3D。筆者認(rèn)為,Perform-3D本身就是建筑結(jié)構(gòu)非線性分析及性能評估技術(shù)的縮影,凝結(jié)了Powell教授杰出的研究成果和心得,學(xué)習(xí)Perform-3D的過程就是向Powell教授學(xué)習(xí)的過程,意義非凡。
總體而言,Perform-3D分析穩(wěn)定、可靠、效率高,這與它精巧的組件設(shè)置、強大高效的求解策略、有選擇性的數(shù)據(jù)存儲以及針對性極強的產(chǎn)品定位都不無關(guān)系。
ETABS這些年在非線性分析功能、分析效率等方面進步顯著,并且仍在持續(xù)改進中,同時ETABS具備更廣泛的通用性,非線性分析類型更多(除了材料非線性問題,還有大位移等問題),因此可控的分析參數(shù)更多。
另一方面,ETABS存儲數(shù)據(jù)量更大(比如包含所有纖維的細節(jié)結(jié)果),塑性狀態(tài)更新比較耗時(與塑性程度有關(guān))。因此,處理ETABS的非線性模型,需要具體項目具體分析,合理的模型設(shè)置和恰當(dāng)?shù)姆治鰠?shù)會顯著改善求解效率。
來源:筑信達-李立
(完)
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