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结构非线性分析与性能评价软件PERFORM-3D

专业软件讲座建筑结构.技术通讯 2007年3月结构非线性分析与性能评价软件PERFORM知识选讲（一）

苏志彬林述涛

(北京金土木软件技术有限公司 100044)

PERFORM-3D（Nonlinear Analysis and Performance Assessment for 3D Structure）三维结构非线性分析与性能评估软件，其前身为Drain-2DX和Drain-3DX，由美国加州大学伯克利分校的Powell教授开发，是一个用于抗震设计的非线性计算软件。通过基于变形或强度的限制状态对复杂结构（其中包括剪力墙结构）进行非线性分析，。PERFORM-3D 为用户提供了一个强大的地震工程分析工具来进行静力Pushover分析和非线性动力时程分析。可以同时在一个模型中实现静力或动力非线性分析，荷载可以任意顺序施加，如完成动力时程分析后进行静力Pushover分析。

PERFORM-3D为基于性能设计提供了强大的分析功能，其性能基于ATC-40，FEMA-356或ATC-440自动评价。1PERFORM-3D的特点

1.1 建模

（1）目前版本的ETABS和SAP2000的几何数据可以导入到PERFORM-3D中，这样可以提高工程师的建模速度，减少一部分在建模方面的重复劳动。

（2）图形交互式输入界面使PERFORM-3D使用起来更为直观方便，所见即所得的效果可以实时的观察建模情况，从而最大限度降低因建模产生的错误，大大增强了PERFORM-3D的可操作性，而同类专业的非线性三维分析软件大部分使用文本输入方式。

1.2 非线性分析

1．3D静力非线性Pushover分析

分析中注意以下几点：1）施加荷载，首先添加重力荷载，然后添加Pushover荷载，保持重力荷载在Pushover分析过程中一直作用在结构上。2）Pushover荷载仅是指定荷载的分布模式，不是荷载的大小，荷载的大小是在分析中求得的；侧向力分布模式包括以下3种形式：用户定义的任意的侧向力分布模式、基于任意模态形状的侧向力分布模式、基于质量的比例荷载。3）重力荷载分析比较简单，一般是线性的；Pushover分析比较复杂，一般采用位移控制。4）以层间位移角的形式指定最大的推覆位移，该值需要用户合理定义。

2．3D非线性地震时程分析

主要存在以下几个问题：

（1）计算时间：由下表可以考察PERFORM-3D的求解速度。算例均采用1000步时间间隔是0.02s的地震波，采用目前通用的计算机运行一条地震波的耗时。

单元类型

结构节点

自由

度

非线性

梁和柱

非线性

节点区

弹性

墙

非线性

墙

非线性

屈曲单

元

耗时

3×7榀11

层钢框架

7202100960 320 －－－10min 61层

混凝土

22506200320 －1200 120 16 2h 50层

混凝土

16700480009400－－12500 －3d （2）滞回环：在循环荷载的作用下，非线性构件耗散能量的大小等于滞回环包围的面积的大小；滞回环的大小和形状将对结构的反应产生极大的影响，因此在动力时程分析中滞回环必须明确地表示出来；不同的构件可以有不同的滞回环形状，PERFORM-3D可以为不同单元类型指定不同的滞回特性，包括：滞回强度损失、滞回强度增强、滞回环的捏拢效应、屈曲单元的滞回环，阻尼器单元的滞回环等。

（3）阻尼：弹性结构的耗能通常是指各种机械能，在分析中通常被模拟为粘滞阻尼，通过指定结构的模态阻尼比来实现。如果结构屈服，结构的耗能将包括弹性耗能和滞回耗能，滞回耗能可以通过计算构件滞回环的面积来计算，弹性耗能仍然模拟为粘滞阻尼。在动力弹塑性时程分析中，由于构件的屈服使得结构的模态不断变化，因此通过指定结构的模态阻尼比的方式来模拟结构的粘滞阻尼很难实际操作，因此对于直接积分法的非线性时程分析，弹性耗能用Rayleign阻尼来模拟。

3．P-delta分析：可以考虑单独构件的p-δ效应，也可以考虑整体结构的P-Δ效应。

1.3单元类型：单拉压杆单元、梁单元、柱单元、墙单元、剪切连接单元和节点区单元、断裂连接单元、楼板单元、粘滞阻尼器单元、摩擦摆隔振器单元、橡胶支座隔振器单元。

1.4 性能评价

性能评价可以考虑基于变形、强度、层间位移角的限制状态，可以输出构件的需求/能力的比率，可以输出多条地震波作用下构件的平均需求/能力比，可以为所有构件类型指定变形或强度能力极限，可以计算能量平衡。

1.5 显示与输出

作者联系电话：010-********-200，Email：support@https://www.wendangku.net/doc/0c7524921.html,。SAP2000、ETABS常见问题和教学录像，详见金土木公司网站https://www.wendangku.net/doc/0c7524921.html,。

对于Pushover结果可以输出基于ATC-40，FEMA-356或ATC-440 的规范的性能点或者目标位移的图解。位移、层间位移角及内力的时程输出，组构件内力的时程输出，弯矩图及剪力图，组构件的内力显示，变形动画，模态变形动画，变形图上显示使用比率，滞回环，平均需求/能力比（使用不同颜色），能量平衡图。

2钢筋混凝土剪力墙的模拟

2.1 钢筋混凝土剪力墙的受力性质

墙肢的受力特性和柱比较相似，基本符合平截面假定；截面较矮的连梁的破坏一般是由剪切或者弯曲控制，较高的连梁，破坏以剪切控制。根据钢筋混凝土剪力墙的受力特点，弯曲和轴力特性通过定义纤维截面来模拟，剪切特性通过定义一种剪切材料来模拟。

1．弯曲和轴力特性

（1）P-M的交互在非线性分析中，截面的中性轴是不断移动的，取决于P/M的比率和混凝土开裂的数量和滑移。在PERFORM-3D中P-M的交互是用纤维截面来模拟的。

（2）钢纤维和混凝土纤维截面钢纤维可以屈服，可以模拟钢纤维屈服后的刚度滞回退化效应；混凝土可以开裂、滑移，通常设定混凝土的抗拉强度为零，除非想真实地模拟滑移，通常忽略混凝土的脆性强度损失。在PERFORM-3D中仅轴向变形和弯曲影响纤维截面。

（3）塑性铰与柱和梁的塑性行为一样，墙也存在塑性铰区。塑性铰区的一个主要特性就是塑性铰区的长度，FEMA356规定塑性铰区的长度为墙肢宽度或者连梁高度的0.5倍，但是塑性铰区的长度不能超过一层楼高，这个规定和梁、柱的塑性铰的规定是类似的。

塑性铰区长度的规定只是针对受弯构件，对受剪构件指定塑性铰区长度是没有意义的；塑性铰区的长度不依赖于有限元网格的划分；如果受弯对剪力墙起控制作用，一个合理的塑性铰区长度通常取为一个楼层的高度；如果连梁的受弯特性起控制作用，则用一个梁单元模拟更好一些，如果用墙单元模拟则取墙高的一半作为塑性铰区。

2．剪切特性

对于混凝土的剪切效应，这里只说其剪切模量的取值，PERFORM-3D中采用等效剪切模量，其值和钢筋混凝土剪力墙的配筋率有关，关于这一点的更详细的信息参见Perform Components And Elements 技术手册。

2.2 钢筋混凝土剪力墙在PERFORM-3D中模拟的过程

1．混凝土材料的定义

在图1中定义非线性混凝土材料来模拟剪力墙的受弯和受压特性。根据用户的需要，最基本的应力-应变关系可以选择为E-P-P（理想弹塑性材料）形式，也可以选择为Trilinear形式（图2）。可以有选择地考虑混凝土的受拉特性和强度损失效应（图3）。可以有选择地考虑混凝土的滞回刚度退化效应（图4）。

图

1 混凝土材料定义

图

2 应力-应变曲线

图3 特征点参数定义图4 刚度退化参数定义 2．非线性剪切材料的定义

混凝土的剪切效应可以通过定义一种非线性剪切材料来模拟，如图5～6所示。剪应力-剪应变的关系同样可以选择为E-P-P或Trilinear的形式。可以有选择的考虑混凝土的强度损失效应和滞回刚度退化效应。

图5 非线性剪切材料定义图6 参数定义

3．钢筋材料的定义

Perform-3D中包含三种非线性钢材：1) Non-Buckling：不考虑屈曲效应；2) Tension-Only：只考虑受拉特性；

3)Buckling：考虑钢屈曲效应。应力-应变关系可以选择为E-P-P或Trilinear的形式；可以有选择地考虑钢材的强度损失效应和滞回刚度退化效应；可以考虑钢材的应力-应变关系的对称效应。钢筋定义为Non-Buckling属性时，用来模拟钢筋混凝土剪力墙中的钢筋纤维见图7。

图7 不考虑屈曲效应的钢筋纤维材料定义

4．钢筋混凝土截面的定义

定义的截面时将用到第1步定义的混凝土材料和第3步定义的钢筋材料，同时将这个截面分成混凝土纤维和钢筋纤维，如图8所示。

图8 截面定义

5．钢筋混凝土剪力墙组件的定义

钢筋混凝土剪力墙组件的定义中将用到第4步定义的钢筋混凝土截面和第2步定义的剪切材料，见图9。

图9 钢筋混凝土剪力墙组件定义

6．钢筋混凝土单元的建立

绘制钢筋混凝土剪力墙单元，然后把第5步定义的钢筋混凝土剪力墙组件指定给钢筋混凝土剪力墙单元。通过以上6步，一个完整的混凝土剪力墙单元就建立起来了。

3 结语

介绍了PERFORM-3D的特点，然后对大家比较关心的剪力墙单元在PERFORM-3D中的实现过程进行了简要的介绍，更详细内容见Perform Components And Elements 技术手册，此手册可通过电子邮件Support@https://www.wendangku.net/doc/0c7524921.html,索取。

参考文献

[1]Perform Components and Elements，CSI，2006

[2]Perform-3D User Guide，CSI，2006

[3]https://www.wendangku.net/doc/0c7524921.html,.

（上接24页）某些杆件截面可能被指定过小，或者由于程序本身提供了自动选择列表功能，也可能导致重力非线性阶段出铰。需要说明的是，实际结构重力阶段不应当出铰，所以用户应当在Pushover分析前先设计合理的结构体系。

5.5 剪力墙结构如何进行Pushover分析？目前版本采用等效模型，如柱、支撑框架体系、塑性联结单元来模拟剪力墙。每一种模型都有其局限之处，应依据墙的不同特点采用相应等效体系。如高墙的弯曲效应明显，可直接采用带有P-M-M铰柱进行模拟，但柱截面高宽比大必然会造成P-M-M曲面出现内凹异型。矮墙主要为剪弯型，可以采用支撑框架体系来模拟。用塑性联结单元模拟剪力墙时，由于不使用铰的概念，直接使用其塑性属性，理论上是最好的方法；但需对各墙的塑性行为有相当的把握，且工作量较大。

不管采用何种等效方法均应遵循下列原则:：1)质量相等，尤其是采用MODE(模态)作为横向加载方式时；2)刚度等效，特别是抗侧刚度。衡量上述指标较好的方法为模态分析，即等代后的结构应与原型结构前几个振型基本一致。

CSI新推出了Perform-3D软件，其前身为Drain-2DX 和Drain-3DX，Perform-3D为用户提供了一个复杂的地震计算工具来进行Pushover分析和非线性动力时程分析，可以较好地模拟复杂剪力墙的非线性行为。SAP2000的几何模型可以读入到Perform-3D中。5.6 如何选取铰的卸载方法？当卸载一个铰时，程序必须移除铰所承受的荷载并将其再分配到其他结构构件上。SAP2000使用三种方法：卸载整个结构、局部重分配和使用割线刚度。前两种方法较常用，但如果一个单元中两个铰同时卸载，这两种方法会失效，分析将终止。第三种方法收敛性最好，但求解时间相对较长。

5.7 使用ATC-40方法时，对应我国规范，如何输入C a，C v值？由于Pushover分析中使用的反应谱均为国外反应谱曲线。对照ATC-40中规定的反应谱曲线与我国的反应谱曲线，依据两个规范谱线相关性，当阻尼比为0.05时，可以近似得到：

max

4.0

Cα

=，

max

Cα

=。

参考文献

[1] 北京金土木软件技术有限公司. SAP2000中文版使用指南

[M]. 北京：人民交通出版社，2006.

[2] EDWARD L WILSON. 结构静力与动力分析[M]. 北京金土

木软件技术有限公司译. 北京：中国建筑工业出版社，2006.

[3] ATC. 1996. Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete

Buildings， Volume 1，ATC-40 Report. Applied Technology Council. Redwood City， California.

[4] FEMA 356 The Seismic Rehabilitation of Buildings，Federal

Emergency Management Agency，2000.

[5] FEMA 440 NEHRP Improvement of Nonlinear Static Seismic

Analysis Procedures， Federal Emergency Management Agency，Prepared by Applied Technology Council(ATC-55 Project)，2005.