【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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以上是生活随笔為你收集整理的【JY】ETABS与Perform3D弹塑性分析功能对比示例的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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