Etabs学习2_性能化设计基本概念及软件实现

北京筑信达工程咨询有限公司 Beijing Construction Information Solution Engineering Consulting 基于性能的抗震设计 结构设计 验算强度 截面承载力…… 验算变形 位移角…… 基于性能的设计 对满足一定性能水准的设计提供可靠的保证 •不同水准的地震作用 •结构性能评价 –结构安全 –结构功能 –维修成本 2

性能水准 我国：“小震不坏、中震可修、大震不倒” 美国：Immediate Occupancy [IO], Life Safety [LS], Collapes Prevention [CP] ATC-40 （1996） FEMA 273 （1997） FEMA 356 （2000） FEMA 440 （2005） ASCE 41-06 （2007） ASCE 41-13 （2014） 性能化设计（PBD） 性能化设计（PBD）是对传统结构设计概念的一次重大转变，代表着地震工程学的未来 新的设计方法将帮助工程师确定，在给定的地震作用下，设计方案能可靠地满足所需的性能水平 PBD的基本内容是非线性动力分析，通过明确地模拟和评估屈服后延性和能量耗散，来捕捉结构在地震作用下的弹塑性行为 ETABS 2015引入了相关的选项和算法，高效实用地实现这一设计思想 3

基于性能设计的实施步骤 选择适当的性能设计水准和设计荷载 定义结构的性能评价指标（如层间位移角、塑性铰转角、剪力指标等） 取得变形和内力的限值（可以通过规范或实验获得） 通过结构分析计算出变形和内力（通常是弹塑性分析） 求得需求/能力比（Demand/Capacity）,如果D/C>1，则需要修改设计 北京筑信达工程咨询有限公司 Beijing Construction Information Solution Engineering Consulting 构件非线性属性的模拟 4

构件非线性属性模拟 框架单元 •塑性铰 梁：M铰、V铰 柱：PMM铰 •纤维铰 面单元 •分层壳 •墙铰 铰定义 骨架曲线 可接受准则 滞回关系 Points A, B, C, D and E define hinge force- deformation relationship. Points IO, LS and CP define acceptable hinge deformation for various levels. 5

铰定义 铰覆盖 铰覆盖0.1 铰覆盖0.02仅用于塑性铰 6

M3铰定义 PMM铰定义 相关面 骨架曲线 可接受准则 7

PMM铰定义 相关面 PMM铰定义 骨架曲线 可接受准则 8

分层壳定义 定义材料的非线性属性 2 •钢筋、混凝土 剪力墙 混凝土 钢筋 定义不同层的属性 •位置、厚度、行为 2 2 剪力墙 混凝土 纵向钢筋 横向钢筋 方材向 料主2 轴2 剪力墙分层壳模型 混凝土层 纵向钢筋层 横向钢筋层 分层壳定义 “实际”混凝土模型 “实用”混凝土模型 9

纤维铰的定义 非线性材料属性 •钢筋 •保护层混凝土 •核心区混凝土 网格划分 面积、位置、材料 墙铰的定义 墙铰的配筋 •来自于当前设计 •统一的钢筋率 •指定钢筋位置 两端边缘构件范围 抗弯钢筋分布 约束钢筋分布 10

墙铰的定义 墙铰指定 墙铰数据 材料变形准则 混凝土 •约束、非约束混凝土 •轴压状态、其它 钢筋 •抗压、抗拉 11

材料变形准则 可接受准则 滞回关系 •弹性滞回模型 •随动滞回模型 •退化滞回模型 •Tekeda滞回模型 •Pivot滞回模型 •素混凝土滞回模型 •BRB强化滞回模型 •各向同性滞回模型 北京筑信达工程咨询有限公司 Beijing Construction Information Solution Engineering Consulting 静力推覆分析 12

静力推覆（Pushover）分析 假定 1）实际结构的地震反应与某一等效单自由度体系的反应相关。该假定表明结构的地震反应由某一振型起主要控制作用（一般认为是结构第一振型），其它振型的影响可以忽略。 2）在地震过程中，不论结构变形大小，分析所假定的结构沿高度方向的形状向量都保持不变。 适用范围 高阶效应不明显 任意楼层需满足： 𝑉𝑉1≤1.3 V——楼层总剪力 V1——第一模态下楼层剪力 参《PERFORM 3D USER GUIDE》实现步骤 建立Pushover曲线 弹塑性属性 求解控制 •塑性铰 •位移监测 •分层壳 •非线性求解控制 •纤维铰 •墙铰 抗震能力评估 荷载模式 能力曲线 •重力荷载 性能评估方法 •侧向荷载 结果解读 13

荷载模式 竖向荷载 预先对结构施加重力荷载。 侧向加载模式 •力（任意侧力模式） •加速度（均布侧力模式） •模态（如倒三角侧力模式 ） 对于规则结构，一般假定侧力模式与一阶模态形状相同。 求解控制 求解控制 荷载控制，每一步的荷载增量为定值，直到施加的荷载超过结构的承载力，Pushover将终止分析； 位移控制，每一步的位移增量为定值，而施加的荷载是由程序通过迭代反算的。 14

求解控制 求解控制 准静态，准静态分析使用虚拟质量提供的惯性力抵抗结构的强度损失，进而以稳定的方式进行荷载重分布。 尤其适用于结构失稳并丧失承载力的分析过程，此时使用“位移控制”选项很难得到收敛解。 求解控制 监测位移 •监测节点的绝对位移 一般可取顶层屋面质心位置 ETABS默认位移值为 1/25 总高。 •监测广义 位移 例如：某楼层的层间位移角 15

求解控制 Saved Null Total Iteration Steps Steps Steps this Relative Curr Curr Sum Max Sum Step Unbalance Step Size of Steps of Steps 保存状态的 最大 最大 相对 最大数量 空步数 总步数 迭代设置 不平衡误步长 当前阶段 总累积 差 累积步长 步长 性能评估方法 能力谱法 ATC40 Capacity Spectrum Method 目标位移法 FEMA356 Coefficient Method 等效线性化法 FEMA440 Linearization Method 目标位移法 FEMA440 Coefficient Method 16

ATC40 Capacity Spectrum Method 能力谱法 FEMA440 Linearization Method 等效线性化法 17

FEMA356 、440 Coefficient Method 目标位移法 FEMA440 Linearization Method 等效线性化法 18

Pushover 结果解读 基底剪力与顶点位移曲线 性能点处的层间位移角 求性取能性点能处点的 铰状态 静力推覆（Pushover）分析 几个误区 •忽略重力荷载 •设计之前进行推覆 •忽略P-Delta效应 •混淆pushover和实时地震加载 •非要推倒为止 •处处使用弹塑性属性 19

北京筑信达工程咨询有限公司 Beijing Construction Information Solution Engineering Consulting 动力弹塑性分析 动力弹塑性分析方法 动力力弹塑性分析 建立几何模型 性能评估 •塑性铰 •大指标输出 •分层壳 •构件需求/能力比率（D/C） •纤维铰 •多时程响应性能校核 •滞回关系 加载 •重力荷载 •导入地震波数据 •直接生成人工波 求解方法 •非线性模态分析 （FNA法） •非线性直接积分 20

加载 地震波数据 地震波数据格式、软件导入方式 当前单位制、比例系数 以加速度方式施加（一致输入） 以位移荷载方式施加（多点输入） 加载 生成人工波数据 21

非线性直接积分法 非线性直接积分法 非线性直接积分方法 多种时间积分方法： 推荐使用HHT方法，α值取值范围0至-1/3,建议取-1/24或-1/48.可显著的提高计算效率而不影响分析精度。 22

非线性 直接积分法 事件到事件方法 对分析收敛性有显著提高，并且对模型的计算效率也有一定提高。 分析方法 非线性模态分析 FNA法 23

FNA法 模态定义 使用Ritz向量 施加的荷载 最大模态数量 荷载参与系数 模态数=连接单元非线性自由度数+施加荷载数+楼层数X3 FNA法 非线性模态分析 FNA法 •适用范围 只包含连接/支座单元的非线性行为 24

FNA法 在FNA法中考虑P-Δ效应 •定义>P-delta选项 FNA法 在FNA法中考虑P-Δ效应 阻尼器选择剪切项为1，橡胶隔震支座选择两端弯矩项各为0.5摩擦摆隔震器选择盘侧弯矩项为1。 25

铰的处理方式（新增） 内嵌入单元 作为的连接单元（仅适用于FNA法） 常见问题 警告 由于起始的荷载向量作用于无质量的自由度上，故程序可能会得到无效或错误的李兹模态进而影响后续的动力分析结果。 26

常见问题 性能评估 大指标输出 顶点位移时程 底部剪力时程 各层层间剪力分布图 各层层间位移角分布图 能量耗散图 27

性能评估 需求/能力比率（D/C）表格及图形输出 性能评估 各构件需求/能力比率（D/C） 28

弹塑性分析建议 分析目的是了解结构性能，为改进设计方案提供建议 精确分析几乎不可能，而合理设计总是可能的 模型尽量简化，模拟结构体系的本质 分析过程要循序渐进 通过线性、模态分析，确保体系是稳定的，结构响应是合理的 逐步地添加非线性属性，从最有可能出现弹塑性的部位开始 适度的目标位移，多次快速的分析来了解结构的性能 逐步完善模型，进行完整分析 增加P-Delta效应，进行完整分析 好模型的定义： 算得快 易于检查错误 易于解释结果 29