PERFORM-3D在超限高层建筑结构抗震分析中的应用_陈学伟

PERFORM-3D在超限高层建筑结构PERFORM3D在超限高层建筑结构抗震分析中的应用主讲陈学伟主讲：陈学伟导师：韩小雷教授，华南理工大学土木与交通学院博士研究生土木与交通学院博士研究生高层建筑结构研究所主要内容主要内容‡PERFORM-3D软件简介‡PERFORM3D建模技巧建模辅助程序ETP的开发‡PERFORM-3D建模技巧：建模辅助程序ETP的开发，‡PERFORM-3D建模技巧：导入模型的方法介绍‡PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程‡PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程，‡PERFORM-3D工程应用：粘滞阻尼器减振工程‡PERFORM-3D研究应用：足尺钢框架比赛，‡PERFORM3D研究应用：足尺钢框架比赛，‡PERFORM-3D研究应用：剪力墙单元及性能指标研究总结总结PERFORM-3D的软件简介PERFORM3D的软件简介PERFORM-3D(NonlinearAnalysisandPeroformanceAssessmentf3DStt)三维结构非线性分析与性能评估软件它的前for3DStructure)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ProfGranhamHPowell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弹塑性Pushover分析和动力弹塑性时程分析。GHPowellG.H.PowellPERFORM-3D的单元模型PERFORM3D的单元模型†梁柱单元模型PERFORM-3D提供多种梁柱单元模型，包括塑性铰模型及纤维模型。本文工程实例梁柱均采用纤维模型纤维模型梁柱单有以特点基平截假定将梁柱的内力变形关系转化成用纤维模型。纤维模型梁柱单元有以下特点：基于平截面假定，将梁柱的内力-变形关系转化成混凝土与钢筋的应力-应变关系；铁木辛柯梁单元，可考虑剪切变形；自由的纤维划分输入方式，可以输入约束混凝土及非约束混凝土纤维，可以输入复杂组合截面，梁柱纤维截面如图所示；约束混凝土顶部钢筋非约束混凝土约束混凝土非约束混凝土约束混凝土纵向钢筋非约束混凝土端部区配筋非端部区配筋底部钢筋PERFORM-3D的单元模型PERFORM3D的单元模型†梁柱单元模型PERFORM-3D的梁柱构件提供构件的截面组装功能，这个功能可以使不增加自由度的情况下增梁单度高算度效率基构梁单加梁柱单元的延长度方向的积分点数，提高计算精度与效率。基于不同的构件组装，梁柱单元分为两种模型，端部塑性区模型及多段塑性区模型，如图2所示。模型合理的单元划分，采用端部塑性区模型可保证精度的前提下节约计算时间。对于受剪力较大的梁构件，在截面组装时可以加入剪切铰模拟梁的非线性剪切变形及剪切破坏。PERFORM-3D的单元模型PERFORM3D的单元模型†分层剪力墙模型PERFORM-3D中采用宏观分层单元来模拟剪力墙构件，一维纤维单元模拟剪力墙的平面内压效剪本构拟剪墙剪效剪弯效应，非线性或线性剪切本构模拟剪力墙的平面内剪切效应，平面外弯曲、平面外剪切及扭转效应均采用弹性本构模拟。剪力墙的特点是在纤维截面定义时可以采用约束混凝土与非约束混凝土纤维来模拟端部约束区与非端部约束区。剪力墙与梁的刚接是采用刚臂连接，如图所示。PERFORM-3D的材料本构PERFORM3D的材料本构†钢筋材料本构PERFORM-3D的钢材本构分为屈曲钢材本构及非屈曲钢材本构。钢筋一般采用非屈曲钢材本构构建构筋复塑够持较高构，因为结构的延性设计主要是建立在结构钢筋经历反复的大塑性应变依然能够维持较高的应力水平基础上的，并要求钢筋通常不会发生拉断等脆性破坏。本文采用受力钢筋主要为HRB400，钢筋本构取值如图所示。PERFORM-3D的材料本构PERFORM3D的材料本构†混凝土材料本构目前在宏观模型中最为常用的约束混凝土的单轴受压应力应变关系是Mander应力应变关系。该模型的混凝土应力应变关系由个参数确定与截形状和箍筋的配置有关根据模该模型的混凝土应力应变关系由5个参数确定，与截面形状和箍筋的配置有关。根据Mander模型的公式、混凝土材料强度平均值及弹性模量值，可计算得到本工程所采用不同箍筋约束情况下的混凝土材料本构曲线，如图所示。主要内容主要内容‡PERFORM-3D软件简介‡PERFORM3D建模技巧建模辅助程序ETP的开发‡PERFORM-3D建模技巧：建模辅助程序ETP的开发，‡PERFORM-3D建模技巧：导入模型的方法介绍‡PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程‡PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程，‡PERFORM-3D工程应用：粘滞阻尼器减振工程‡PERFORM-3D研究应用：足尺钢框架比赛，‡PERFORM3D研究应用：足尺钢框架比赛，‡PERFORM-3D研究应用：剪力墙单元及性能指标研究总结总结建模辅助程序ETP的开发建模辅助程序ETP的开发ETP程序的工作分为四部分：†（1）结点信息、支座信息、刚性楼板、质量源信息等，Perform-3D与†（1）结点信息、支座信息、刚性楼板、质量源信息等，Perform3D与ETABS的格式一致，直接自动转换；†（2）ETABS的荷载信息、线性材料信息与Perform-3D的格式不同。通过转换使线性材料信息转换为非线性材料信息。Perform-3D的线荷载是以样式分类换使线性材料信息转换为非线性材料信息。Perform3D的线荷载是以样式分类施加给杆件的，与ETABS不同，ETABS是各杆件独立的荷载信息，因此需要转换；†（3）ETABS只提供单元几何信息，截面尺寸，需要在ETP输入界面输入配†（3）ETABS只提供单元几何信息，截面尺寸，需要在ETP输入界面输入配筋信息，才能够转换为纤维截面信息、构件组装信息及构件的变形性能指标。†（4）转换以上所有结构的弹塑性信息以后，ETP生成Perform-3D的数据格式完成了弹塑性分析模型的建模其中已包括了纤维模型评估变形的性式，完成了弹塑性分析模型的建模，其中已包括了纤维模型、评估变形的性能指标限值。建模辅助程序ETP的开发建模辅助程序ETP的开发建模辅助程序ETP的开发建模辅助程序ETP的开发ETP程序不但提高PERFORM-3D非线性模型的建模速度与准确性，又可以保证结构计算模型的致性结构配筋信息可采用或的一致性。结构配筋信息可采用ETABS或PKPM小震计算的配筋量，并结合抗震规范构造要求得到的初步配筋结果，再通过前处理的图形界面进行细化修改。ETP程序的自动归并图形界面进行细化修改。ETP程序的自动归并功能根据构件截面属性、配筋、构件长度自动归并纤维截面类型及构件组装类型，减小非线性模型的复杂性，提高计算效率。结构采用刚性楼板假设及楼层集中质量源性楼板假设及楼层集中质量源。ETP程序将本文制定的剪力墙、连梁构件变形性能指标算法嵌入Pf3D中为基于性能性能指标算法嵌入Perform-3D中，为基于性能的抗震设计方法提供了实践的工具。PERFORM-3D的建模方法PERFORM3D的建模方法PERFORM-3D梁柱纤维截面划分PERFORM-3D剪力墙截面与配筋定义主要内容主要内容‡PERFORM-3D软件简介‡PERFORM3D建模技巧建模辅助程序ETP的开发‡PERFORM-3D建模技巧：建模辅助程序ETP的开发，‡PERFORM-3D建模技巧：导入模型的小工具介绍‡PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程‡PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程，‡PERFORM-3D工程应用：粘滞阻尼器减振工程‡PERFORM-3D研究应用：足尺钢框架比赛，‡PERFORM3D研究应用：足尺钢框架比赛，‡PERFORM-3D研究应用：剪力墙单元及性能指标研究总结总结导入模型小工具介绍导入模型小工具介绍目前，ETP程序主要采用纤维模型来模拟整体结构的弹塑性行为，没有采用塑性铰单元。塑性铰单元涉及的批量截面分析将在下一步考虑。对于手工建模，一般采用导入与手工设置相结合的方法用导入与手工设置相结合的方法，那么就会用到一些小程序，如：[1]混凝土本构输入小程序[2]结构文本导入小程序[3]梁、柱、剪力墙输入小程序等等均在www.dinochen.com下载混凝土本构模型导入程序混凝土本构模型导入程序PERFORM-concrete是一个导入混凝土本构模型参数的工具，通过面向对象语言编制本构曲线采用混凝土规录附录公编制。本构曲线采用混凝土规录附录公式计算所得。采用五折线点描绘后，得出PERFORM-3D程序中对应输入的参数。混凝土本构模型导入程序混凝土本构模型导入程序结构文本导入程序结构文本导入程序PERFORM-3D具有几何数据的导入功能，包括结点，单元几何信息，质量与结点括结点单元几何信质量与结点荷载导入功能，结合该功能，开发一个转换ETABS数据变成相对应的导入文本格式的小程序。程序主要读取ETABS模型生成的*s2k文件将其结点几何信息型生成的*.s2k文件，将其结点几何信息，单元连接结点号，结点质量及结点荷载导出文本，其中单元可按截面分类输入，再分类导入，这样可以按类来赋予截面。主要内容主要内容‡PERFORM-3D软件简介‡PERFORM3D建模技巧建模辅助程序ETP的开发‡PERFORM-3D建模技巧：建模辅助程序ETP的开发，‡PERFORM-3D建模技巧：导入模型的小工具介绍‡PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程‡PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程，‡PERFORM-3D工程应用：粘滞阻尼器减振工程‡PERFORM-3D研究应用：足尺钢框架比赛，‡PERFORM3D研究应用：足尺钢框架比赛，‡PERFORM-3D研究应用：剪力墙单元及性能指标研究总结总结珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析结构采用现浇钢筋混凝土部分框支剪力墙结构，其中中部核心筒剪力墙及四周角部剪力墙直接落地，部分剪力墙在转换层通过梁式转换结构转换为框支柱。满跨转换梁采用普通钢筋混凝土梁，因塔楼剪力墙窗洞而形成的非满跨转换梁采用型钢混凝土梁。结构高度182.5m，结构平面布置如图所示构平面布置如图所示。珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析弹塑性时程分析选取了2组人工波及5组天然波。建立结构ETABS弹性模型，采用组双向天然波样本进行试算将0.9GM1人工波用20组双向天然波样本进行试算，将40个地震工况的基底剪力与反应谱的基底剪力进行对比，挑选出满足我国建筑抗震设计规范(GB50011-2001)的要求，即0.60.75响系数_人波GM2_人工波GM3_SanFernando8244OrigonBlvdGM4_HollywoodStrorageP.E.GM5_BondsCornerEICentro震设计规范(GB500112001)的要求，即单个时程分析计算基底剪力结果应大于反应谱法结果的65%，时程分析的基底剪力结果的平均值应大于反应谱法结果的80%各地震波主波反应谱曲线与规0.30.45地震影响GM6_TaftLincolnSchoolGM7_LomaPrietaOacklandOuterWharf规范反应谱平均值的80%。各地震波主波反应谱曲线与规范反应谱曲线对比如图所示。00.150246810周期T(s)周期T(s)珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析结构的PERFORM-3D模型的总结点数为7453，梁纤维截面数为422，柱纤维截面数为50，剪力墙纤维截面数为590，梁柱构件类型数为456，剪力墙构件类型数为590，梁单元数为9021，柱单元数为956，梁单元数为9021，柱单元数为956，剪力墙单元