常用弹塑性分析软件在模拟剪力墙构件上的对比研究

常用弹塑性分析软件在模拟剪力墙构件上的对比研究

0工程实例评估建筑振动设计规范（gb50011-2010）。由于各弹塑性分析软件在计算假定、材料本构关系、钢筋布置、荷载分布、迭代方法和收敛控制等方面存在差异,造成同一工程采用不同软件计算的变形和承载能力不同,因此会得出不同的评估结论。文中通过四个算例比较了ETABS,ABAQUS,EPDA,MIDASBuilding和GSNAP五个软件的计算结果,探讨各弹塑性分析软件计算结果产生差异的原因,供工程设计人员参考。1常用弹塑度分析软件1.1不同软件的比较表1对比了各软件的计算模型(“—”表示无此功能)。1.2柱单元模型的比较1.2.1钢筋混凝土梁柱的段式钢材和钢筋一般采用同一种材料模式,即理想弹塑性增强模式,见图1。混凝土的单向应力-应变关系的上升段采用Saenz曲线,下降段采用折线,见图2。钢筋混凝土梁柱是由混凝土实心元和钢筋两部分叠加。程序采用了同一种位移模式,各自不同的材料特性和积分过程。纤维束模型是通过高斯积分得到杆件刚度,高斯积分点的密度对积分精度的影响很大,因为积分点控制着塑性区域的变化。对于实心截面(图3),每一段在X,Y和Z方向为8×8×8的高斯积分,若一根梁剖分两段,则共需要2×(8×8×8)=1024个积分点。1.2.2弹性弯曲模型框架单元塑性铰一般分弯矩(M)、剪力(V)、轴力(P)、轴力和弯矩相关(PMM)四种塑性铰1.2.3截面刚度突变的判定(1)纤维束模型根据高斯点每步应变变化积分求梁刚度,更准确;塑性区沿杆件轴向和横向是逐步发展的,因此不会出现截面刚度突变;每步刚度积分计算量较大。(2)塑性铰模型引入较多参数,设计人员难以把握;人工指定每根构件塑性铰骨架线,工作量很大;骨架曲线的特征点处会导致刚度突变;同一截面各塑性铰是离散的,没有考虑各自由度之间耦合关系。1.3比较墙单元模型1.3.1剪力墙单元划分每片非线性墙单元被分割成具有一定数量的竖向和水平向纤维。图6(a)为MIDAS剪力墙纤维束的单元划分图示,每个纤维有一个积分点,竖向刚度由竖向纤维积分得到,水平向刚度由水平纤维积分得到1.3.2混凝土损伤模型图6(b)为ABAQUS剪力墙分层钢筋布置图示,水平和竖向均可定义多排钢筋。混凝土采用壳元弹塑性损伤模型。混凝土材料进入塑性状态伴随着刚度的降低,其刚度损伤分别由受拉损伤参数dt和受压损伤参数d1.3.3弹塑性墙模型如图6(c)所示,非线性剪力墙由三部分组成:混凝土壳单元、分布钢筋膜单元和暗柱钢筋杆元1.3.4单元积分和计算方法(1)纤维束模型假定墙截面满足平截面假定,并且X和Y两向纤维束不耦联,分别积分和计算,与梁纤维单元计算类似,是一种一维单元模拟计算。(2)壳元损伤模型的计算准确性依赖于损伤系数d(3)弹塑性墙元考虑双轴主应力,能更准确地模拟剪力墙的工作状态,水平和竖向分布筋用膜单元模拟,承载力可能过强。2计算框架结构的示例选取两种框架结构模型进行计算比较,单榀框架(图7(a))和框架结构实际工程(图8)。2.1单-框架2.1.1梁、柱塑性铰图7(a)是一个5层单榀框架,柱截面400mm×400mm,梁截面300mm×600mm,梁长5m,每层柱高4m,柱底嵌固。ETABS和MIDAS模型的梁、柱塑性铰分别设置在梁、柱的两端,梁选用弯矩铰,柱选用PMM铰。钢筋的屈服强度为335N/mm2.1.2各软件之间的比较在每层作用X方向水平力,F=100kN,Pushover工况为:重力+水平X向力F。图9是配筋组合1和配筋组合2下的顶点位移-基底剪力关系。从图中可见:1)纤维束模型极限承载力远大于塑性铰模型;2)结构屈服前的刚度,塑性铰模型大于纤维束模型;3)塑性铰模型在结构开始屈服后,刚度退化很快;4)随着配筋增加,各软件计算的承载力也明显提高,各软件之间承载力差异缩小。表2比较了各软件在相同顶点位移下基底剪力及初始侧向刚度的计算结果。由表可见,不同配筋对塑性铰模型初始刚度影响不大,而对于纤维束模型影响较大。MIDAS的初始刚度比其他软件的大一倍左右。配筋组合2的配筋面积比组合1的大1倍,各软件计算承载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配筋组合的承载力如图7(a)所示,在每层作用Y方向水平力,F=50kN。图10是配筋组合1和配筋组合2下的顶点位移-基底剪力关系。从图中可见:1)面外只有两根柱,承载力差异反映各软件计算柱承载力不同;2)配筋组合1下各软件承载力相差较大,而配筋组合2下各软件承载力较接近,说明各软件差异在混凝土计算模型上;3)各软件计算初始侧向刚度不同。2.2框架结构的实际设计2.2.1梁、柱混凝土强度图8是一个11层框架结构平面图,柱有两种截面400mm×600mm和600mm×500mm,梁的截面为200mm×600mm,层高3m,柱底嵌固。梁、柱主筋采用HRB335级钢,箍筋采用HPB235级钢,钢筋退化系数为0.015;梁和柱混凝土强度等级分别为C25和C30。抗震设防烈度7度,场地土为Ⅱ类,抗震等级为二级。构件配筋按照各软件设计计算结果,ABAQUS配筋取与GSNAP相同。2.2.2基底剪力值与基底位移角推覆分析采用倒三角形侧向加载模式。图11是各软件计算的顶点位移-基底剪力关系。比较各软件计算的极限承载能力可见,ETABS计算的基底剪力值最小(1972kN),EPDA计算得到的基底剪力值最大(6000kN),两者相差204%。图12为各软件计算的性能点对应的层间位移角,可见GSNAP计算的层间位移角最小(1/257),MIDAS计算的最大(1/97),相差164%。表3比较了各软件在相同顶点位移下基底剪力及初始侧向刚度的计算结果。2.2.3其他加载方式各软件推覆分析侧向力加载模式包括以下几种:振型模式、加速度模式、地震力模式、矩形荷载、倒三角形荷载和用户自定义荷载等。任何一种荷载分布方式很难反映结构全部的变形及受力要求,因为一种加载方式只对与其相似的振型作用得到加强,而其他振型的作用则被削弱。表4列出了不同加载模式下计算结果对比,其中基底剪力最大相差32%,顶点位移最大相差31%。3计算和比较墙结构3.1单段墙3.1.1剪力墙面图7(b)是一个5层单片剪力墙,剪力墙截面200mm×3000mm,层高4m,剪力墙底嵌固。钢筋的屈服强度335N/mm3.1.2结构内力-基底剪力在每层剪力墙顶点作用面内水平力,F=100kN,Pushover工况为:重力+面内水平力F。图13是四种配筋组合下的顶点位移-基底剪力关系。从图中可见:1)纤维束模型和弹塑性墙元模型变化趋势一致,壳元损伤模型偏差较大;2)纤维束模型极限承载力小于壳元损伤模型和弹塑性墙元模型的极限承载力;3)水平分布钢筋的变化对纤维束模型和弹塑性墙元模型的承载力影响很小,竖向分布钢筋和暗柱钢筋的变化对结构的承载力影响较大。3.1.3abaqus软件结果分析在每层剪力墙顶点作用面外水平力,F=100kN。剪力墙钢筋采用配筋组合1。图14为剪力墙的顶点位移-基底剪力关系。从图中可见:1)除了ABAQUS的顶点位移-基底剪力关系是非线性,其他软件计算结果均为直线,说明其他软件面外采用弹性刚度;2)各软件计算的面外承载能力均较小,顶点位移为100mm时,承载能力相当于面内1/30~1/50;3)顶点位移为100mm时,ABAQUS,MIDAS,EPDA和GSNAP计算的切线刚度分别为50,42,21和40kN/m,EPDA计算的面外刚度较弱。3.2实际设计中的石膏结构设计3.2.1梁、梁、板、墙图15是一个18层剪力墙结构,抗震设防烈度为7度,场地土Ⅱ类,抗震等级二级。剪力墙厚度为250mm,梁的截面为200mm×500mm,层高3.3m,基底嵌固。梁主筋、剪力墙竖向和水平分布钢筋用Ⅲ级钢,钢筋退化系数为0.015;剪力墙混凝土强度等级为C30,梁和板为C25。构件配筋按照各软件设计结果,ABAQUS配筋与GSNAP相同。3.2.2基底剪力和初始侧向刚度推覆分析采用倒三角形水平加载模式。图16是各软件计算的顶点位移-基底剪力关系。由图可见,MIDAS计算的承载能力最小,EPDA计算的承载能力最大,顶点位移小于50mm时,四个软件的基底剪力较接近。图17为各软件计算的性能点对应的层间位移角,由图可见,EPDA计算得到的层间位移角最小(1/272),MIDAS的最大(1/193),相差41%。表5比较了各软件在相同顶点位移时基底剪力及初始侧向刚度的计算结果,EPDA初始侧向刚度最大。比较各软件计算的承载能力,从大到小顺序是EPDA,ABAQUS,GSNAP和MIDAS,与单片墙结果有所不同,可见剪力墙结构构件之间的变形协调关系和梁单元屈服模式都对整体刚度有影响,而不仅由剪力墙模型决定。位移-剪力曲线层间位移角4初始模型模拟结果分析(1)顶点位移-基底剪力关系是弹塑性推覆分析的最主要结果,从结果对比看,各个软件计算所得性能点及对应位移角有较大差异。(2)对框架结构,结构初始弹性侧向刚度,塑性铰模型要大于纤维束模型,但在结构开始屈服后,塑性铰模型刚度退化很快;由于纤维束模型初始弹性刚度是准确积分得到,因而可以判断根据FEMA计算的骨架线点B刚度是偏大的;纤维束模型的结构极限承载力明显比塑性铰模型要大,原因在于塑性铰模型在点C会马上失去承载力,而纤维束模型由于钢筋的延性不会突然失去承载力。(3)对剪力墙结构,各个软件计算承载力有不同程度的差别,顶点位移越大差异越大。各软件水平分布钢筋的增加对剪力墙的影响不大,竖向分布钢筋和暗柱钢筋的增加对剪力墙极限承载力的提高较明显,但