常用彈塑性分析軟件在模擬剪力墻構(gòu)件上的對(duì)比研究

常用彈塑性分析軟件在模擬剪力墻構(gòu)件上的對(duì)比研究

0工程實(shí)例評(píng)估建筑振動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)范（gb50011-2010）。由于各彈塑性分析軟件在計(jì)算假定、材料本構(gòu)關(guān)系、鋼筋布置、荷載分布、迭代方法和收斂控制等方面存在差異,造成同一工程采用不同軟件計(jì)算的變形和承載能力不同,因此會(huì)得出不同的評(píng)估結(jié)論。文中通過四個(gè)算例比較了ETABS,ABAQUS,EPDA,MIDASBuilding和GSNAP五個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果,探討各彈塑性分析軟件計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生差異的原因,供工程設(shè)計(jì)人員參考。1常用彈塑度分析軟件1.1不同軟件的比較表1對(duì)比了各軟件的計(jì)算模型(“—”表示無此功能)。1.2柱單元模型的比較1.2.1鋼筋混凝土梁柱的段式鋼材和鋼筋一般采用同一種材料模式,即理想彈塑性增強(qiáng)模式,見圖1?；炷恋膯蜗驊?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的上升段采用Saenz曲線,下降段采用折線,見圖2。鋼筋混凝土梁柱是由混凝土實(shí)心元和鋼筋兩部分疊加。程序采用了同一種位移模式,各自不同的材料特性和積分過程。纖維束模型是通過高斯積分得到桿件剛度,高斯積分點(diǎn)的密度對(duì)積分精度的影響很大,因?yàn)榉e分點(diǎn)控制著塑性區(qū)域的變化。對(duì)于實(shí)心截面(圖3),每一段在X,Y和Z方向?yàn)?×8×8的高斯積分,若一根梁剖分兩段,則共需要2×(8×8×8)=1024個(gè)積分點(diǎn)。1.2.2彈性彎曲模型框架單元塑性鉸一般分彎矩(M)、剪力(V)、軸力(P)、軸力和彎矩相關(guān)(PMM)四種塑性鉸1.2.3截面剛度突變的判定(1)纖維束模型根據(jù)高斯點(diǎn)每步應(yīng)變變化積分求梁剛度,更準(zhǔn)確;塑性區(qū)沿桿件軸向和橫向是逐步發(fā)展的,因此不會(huì)出現(xiàn)截面剛度突變;每步剛度積分計(jì)算量較大。(2)塑性鉸模型引入較多參數(shù),設(shè)計(jì)人員難以把握;人工指定每根構(gòu)件塑性鉸骨架線,工作量很大;骨架曲線的特征點(diǎn)處會(huì)導(dǎo)致剛度突變;同一截面各塑性鉸是離散的,沒有考慮各自由度之間耦合關(guān)系。1.3比較墻單元模型1.3.1剪力墻單元?jiǎng)澐置科蔷€性墻單元被分割成具有一定數(shù)量的豎向和水平向纖維。圖6(a)為MIDAS剪力墻纖維束的單元?jiǎng)澐謭D示,每個(gè)纖維有一個(gè)積分點(diǎn),豎向剛度由豎向纖維積分得到,水平向剛度由水平纖維積分得到1.3.2混凝土損傷模型圖6(b)為ABAQUS剪力墻分層鋼筋布置圖示,水平和豎向均可定義多排鋼筋。混凝土采用殼元彈塑性損傷模型?；炷敛牧线M(jìn)入塑性狀態(tài)伴隨著剛度的降低,其剛度損傷分別由受拉損傷參數(shù)dt和受壓損傷參數(shù)d1.3.3彈塑性墻模型如圖6(c)所示,非線性剪力墻由三部分組成:混凝土殼單元、分布鋼筋膜單元和暗柱鋼筋桿元1.3.4單元積分和計(jì)算方法(1)纖維束模型假定墻截面滿足平截面假定,并且X和Y兩向纖維束不耦聯(lián),分別積分和計(jì)算,與梁纖維單元計(jì)算類似,是一種一維單元模擬計(jì)算。(2)殼元損傷模型的計(jì)算準(zhǔn)確性依賴于損傷系數(shù)d(3)彈塑性墻元考慮雙軸主應(yīng)力,能更準(zhǔn)確地模擬剪力墻的工作狀態(tài),水平和豎向分布筋用膜單元模擬,承載力可能過強(qiáng)。2計(jì)算框架結(jié)構(gòu)的示例選取兩種框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算比較,單榀框架(圖7(a))和框架結(jié)構(gòu)實(shí)際工程(圖8)。2.1單-框架2.1.1梁、柱塑性鉸圖7(a)是一個(gè)5層單榀框架,柱截面400mm×400mm,梁截面300mm×600mm,梁長5m,每層柱高4m,柱底嵌固。ETABS和MIDAS模型的梁、柱塑性鉸分別設(shè)置在梁、柱的兩端,梁選用彎矩鉸,柱選用PMM鉸。鋼筋的屈服強(qiáng)度為335N/mm2.1.2各軟件之間的比較在每層作用X方向水平力,F=100kN,Pushover工況為:重力+水平X向力F。圖9是配筋組合1和配筋組合2下的頂點(diǎn)位移-基底剪力關(guān)系。從圖中可見:1)纖維束模型極限承載力遠(yuǎn)大于塑性鉸模型;2)結(jié)構(gòu)屈服前的剛度,塑性鉸模型大于纖維束模型;3)塑性鉸模型在結(jié)構(gòu)開始屈服后,剛度退化很快;4)隨著配筋增加,各軟件計(jì)算的承載力也明顯提高,各軟件之間承載力差異縮小。表2比較了各軟件在相同頂點(diǎn)位移下基底剪力及初始側(cè)向剛度的計(jì)算結(jié)果。由表可見,不同配筋對(duì)塑性鉸模型初始剛度影響不大,而對(duì)于纖維束模型影響較大。MIDAS的初始剛度比其他軟件的大一倍左右。配筋組合2的配筋面積比組合1的大1倍,各軟件計(jì)算承載能力有不同程度提高,提高最多的是ETABS(81%),最少的是GSNAP(40%)。2.1.3配筋組合的承載力如圖7(a)所示,在每層作用Y方向水平力,F=50kN。圖10是配筋組合1和配筋組合2下的頂點(diǎn)位移-基底剪力關(guān)系。從圖中可見:1)面外只有兩根柱,承載力差異反映各軟件計(jì)算柱承載力不同;2)配筋組合1下各軟件承載力相差較大,而配筋組合2下各軟件承載力較接近,說明各軟件差異在混凝土計(jì)算模型上;3)各軟件計(jì)算初始側(cè)向剛度不同。2.2框架結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)2.2.1梁、柱混凝土強(qiáng)度圖8是一個(gè)11層框架結(jié)構(gòu)平面圖,柱有兩種截面400mm×600mm和600mm×500mm,梁的截面為200mm×600mm,層高3m,柱底嵌固。梁、柱主筋采用HRB335級(jí)鋼,箍筋采用HPB235級(jí)鋼,鋼筋退化系數(shù)為0.015;梁和柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C25和C30。抗震設(shè)防烈度7度,場(chǎng)地土為Ⅱ類,抗震等級(jí)為二級(jí)。構(gòu)件配筋按照各軟件設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果,ABAQUS配筋取與GSNAP相同。2.2.2基底剪力值與基底位移角推覆分析采用倒三角形側(cè)向加載模式。圖11是各軟件計(jì)算的頂點(diǎn)位移-基底剪力關(guān)系。比較各軟件計(jì)算的極限承載能力可見,ETABS計(jì)算的基底剪力值最小(1972kN),EPDA計(jì)算得到的基底剪力值最大(6000kN),兩者相差204%。圖12為各軟件計(jì)算的性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的層間位移角,可見GSNAP計(jì)算的層間位移角最小(1/257),MIDAS計(jì)算的最大(1/97),相差164%。表3比較了各軟件在相同頂點(diǎn)位移下基底剪力及初始側(cè)向剛度的計(jì)算結(jié)果。2.2.3其他加載方式各軟件推覆分析側(cè)向力加載模式包括以下幾種:振型模式、加速度模式、地震力模式、矩形荷載、倒三角形荷載和用戶自定義荷載等。任何一種荷載分布方式很難反映結(jié)構(gòu)全部的變形及受力要求,因?yàn)橐环N加載方式只對(duì)與其相似的振型作用得到加強(qiáng),而其他振型的作用則被削弱。表4列出了不同加載模式下計(jì)算結(jié)果對(duì)比,其中基底剪力最大相差32%,頂點(diǎn)位移最大相差31%。3計(jì)算和比較墻結(jié)構(gòu)3.1單段墻3.1.1剪力墻面圖7(b)是一個(gè)5層單片剪力墻,剪力墻截面200mm×3000mm,層高4m,剪力墻底嵌固。鋼筋的屈服強(qiáng)度335N/mm3.1.2結(jié)構(gòu)內(nèi)力-基底剪力在每層剪力墻頂點(diǎn)作用面內(nèi)水平力,F=100kN,Pushover工況為:重力+面內(nèi)水平力F。圖13是四種配筋組合下的頂點(diǎn)位移-基底剪力關(guān)系。從圖中可見:1)纖維束模型和彈塑性墻元模型變化趨勢(shì)一致,殼元損傷模型偏差較大;2)纖維束模型極限承載力小于殼元損傷模型和彈塑性墻元模型的極限承載力;3)水平分布鋼筋的變化對(duì)纖維束模型和彈塑性墻元模型的承載力影響很小,豎向分布鋼筋和暗柱鋼筋的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力影響較大。3.1.3abaqus軟件結(jié)果分析在每層剪力墻頂點(diǎn)作用面外水平力,F=100kN。剪力墻鋼筋采用配筋組合1。圖14為剪力墻的頂點(diǎn)位移-基底剪力關(guān)系。從圖中可見:1)除了ABAQUS的頂點(diǎn)位移-基底剪力關(guān)系是非線性,其他軟件計(jì)算結(jié)果均為直線,說明其他軟件面外采用彈性剛度;2)各軟件計(jì)算的面外承載能力均較小,頂點(diǎn)位移為100mm時(shí),承載能力相當(dāng)于面內(nèi)1/30~1/50;3)頂點(diǎn)位移為100mm時(shí),ABAQUS,MIDAS,EPDA和GSNAP計(jì)算的切線剛度分別為50,42,21和40kN/m,EPDA計(jì)算的面外剛度較弱。3.2實(shí)際設(shè)計(jì)中的石膏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1梁、梁、板、墻圖15是一個(gè)18層剪力墻結(jié)構(gòu),抗震設(shè)防烈度為7度,場(chǎng)地土Ⅱ類,抗震等級(jí)二級(jí)。剪力墻厚度為250mm,梁的截面為200mm×500mm,層高3.3m,基底嵌固。梁主筋、剪力墻豎向和水平分布鋼筋用Ⅲ級(jí)鋼,鋼筋退化系數(shù)為0.015;剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,梁和板為C25。構(gòu)件配筋按照各軟件設(shè)計(jì)結(jié)果,ABAQUS配筋與GSNAP相同。3.2.2基底剪力和初始側(cè)向剛度推覆分析采用倒三角形水平加載模式。圖16是各軟件計(jì)算的頂點(diǎn)位移-基底剪力關(guān)系。由圖可見,MIDAS計(jì)算的承載能力最小,EPDA計(jì)算的承載能力最大,頂點(diǎn)位移小于50mm時(shí),四個(gè)軟件的基底剪力較接近。圖17為各軟件計(jì)算的性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的層間位移角,由圖可見,EPDA計(jì)算得到的層間位移角最小(1/272),MIDAS的最大(1/193),相差41%。表5比較了各軟件在相同頂點(diǎn)位移時(shí)基底剪力及初始側(cè)向剛度的計(jì)算結(jié)果,EPDA初始側(cè)向剛度最大。比較各軟件計(jì)算的承載能力,從大到小順序是EPDA,ABAQUS,GSNAP和MIDAS,與單片墻結(jié)果有所不同,可見剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系和梁單元屈服模式都對(duì)整體剛度有影響,而不僅由剪力墻模型決定。位移-剪力曲線層間位移角4初始模型模擬結(jié)果分析(1)頂點(diǎn)位移-基底剪力關(guān)系是彈塑性推覆分析的最主要結(jié)果,從結(jié)果對(duì)比看,各個(gè)軟件計(jì)算所得性能點(diǎn)及對(duì)應(yīng)位移角有較大差異。(2)對(duì)框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)初始彈性側(cè)向剛度,塑性鉸模型要大于纖維束模型,但在結(jié)構(gòu)開始屈服后,塑性鉸模型剛度退化很快;由于纖維束模型初始彈性剛度是準(zhǔn)確積分得到,因而可以判斷根據(jù)FEMA計(jì)算的骨架線點(diǎn)B剛度是偏大的;纖維束模型的結(jié)構(gòu)極限承載力明顯比塑性鉸模型要大,原因在于塑性鉸模型在點(diǎn)C會(huì)馬上失去承載力,而纖維束模型由于鋼筋的延性不會(huì)突然失去承載力。(3)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu),各個(gè)軟件計(jì)算承載力有不同程度的差別,頂點(diǎn)位移越大差異越大。各軟件水平分布鋼筋的增加對(duì)剪力墻的影響不大,豎向分布鋼筋和暗柱鋼筋的增加對(duì)剪力墻極限承載力的提高較明顯,但