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【JY】ETABS弹塑性分析注意要点和常见问题

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【目录】
1、Etabs 动力弹塑性注意的问题及细节;
2、Etabs 水平隔震结构FNA法与直接积分法对比注意要点;
3、标准求解器、高级求解器以及多线程求解器的异同;
4、为什么橡胶隔震支座的隔震结构在考虑P-Δ效应后为何程序计算的周期会变短?
5、在 FNA 法中如何考虑 P-Delta 效应?并应注意哪些问题?
【正文】
1、Etabs 动力弹塑性注意的问题及细节
1.楼板剖分。模型中楼板的剖分尺寸是0,会导致创建分析模型出错,楼板全部丢失,需要将楼板剖分尺寸进行修改(如1.5米),分析正常。
2.未定义初始重力工况且时程工况未接力初始重力工况。这可能会导致分析出现较为严重的问题,梁内力可能会偏小,墙、柱的轴压比偏小、屈服强度失真、延性偏大等问题,因此初始重力工况是必须要考虑的。
(直接积分法:采用初始工况采用静力非线性+时程工况非线性直接积分法)
(FNA法:采用斜坡荷载的非线性FNA法+时程工况非线性FNA法)
3.分析建议考虑P-Δ效应,且初始工况和时程工况中均考虑了P-Δ效应
4.铰的模拟方式应采用“单元属性”。铰模拟方式采用“单元属性”会使分析速度和收敛性有较大的提高,推荐采用。铰模拟方式采用“连接单元”方法主要是适用于FNA法,但是FNA法并不适合于连接单元数量过大的情况,通常连接单元的非线性自由度数量超过节点数量的20%时,FNA法的计算效率将会低于直接积分法。
图 非线性铰的分析模型
5.求解器建议采用多线程求解器。(求解器区别详见后文)

2、Etabs 水平隔震结构FNA法与直接积分法对比注意要点
1、注意程序中给出荷载作用于无质量自由度上的警告。可通过对连接单元添加微小质量和转动惯量解决这个问题,如下图,这对FNA法的分析结果可能有影响。
图1 连接单元质量与转动惯量
2、RITZ模态设置,取消掉RX、RY和RZ,这三个分量对分析而言没有实质的作用,而且会激发出一些不需要的模态,降低其他荷载的动力参与系数,从而影响分析精度,故删除掉。另外,为兼顾分析时间与精度,采用了1000个模态数量进行计算。
3、分析步长。因此我们需要关心一下时程分析步长。理论上讲,直接积分方法的分析步长应足够小以满足分析精度,通常要求Δt<0.1T,对于多自由度,可按照质量参与系数达到90%时的周期确定分析步长,如下图所示,实际取值为0.005s。经对比发现,取值为0.005时,曲线更加光滑,连接单元变形和出力会有一定幅度的变化,但是未超过2%。
图 竖向质量参与系数
4、连接单元的刚度选项。原模型中用于刚度比例粘滞阻尼的刚度采用的是为K0,但是这个并不合理,首先,瑞利阻尼的周期点其实是按照有效刚度Ke计算的,不是初始刚度K0;其次,连接单元在变形过程中,其刚度是在变化的,会因屈服而减小,如果使用K0的话,会导致刚度阻尼值偏大;最后,RITZ的模态是按照Ke计算得到的如果直接积分法中瑞利阻尼采用K0会与FNA法中的模态阻尼不匹配,因此建议此处使用Ke进行计算。
图3 连接单元的刚度选项
5、FNA法和直接积分法可都采用了瑞利阻尼,但是两者也不是一样的。FNA法是将瑞利阻尼转换为模态阻尼进行使用的,而且FNA法阻尼值不会超过1,如图4所示,而瑞利阻尼是可以出现过阻尼的情况的。但这对分析结果影响比较小,因为此时结构频率非常高,动力效应比较小,可忽略。
图4 FNA法中的模态阻尼比
按上述修改后,计算结果如下,两者吻合度非常高,且计算结果更加接近于原FNA法。
图 直接积分法与FNA法下连接单元的变形

3、标准求解器、高级求解器以及多线程求解器的异同

求解器选项

1.标准求解器

  • 适用于处理小模型

  • 仅利用CPU的单个核心

  • 提供完整的不稳定警告信息,这对于大型分析之前检查模型是十分有用的

2.高级求解器

  • 程序的默认选项

  • 适用于处理中型到最大型模型

  • 可以利用CPU的所有核心

  • 使用硬盘处理大型模型

  • 提供有限的不稳定警告信息

3.多线程求解器

  • 适用于处理中型到大型模型

  • 充分利用CPU所有核心

  • 充分利用内存来提高分析速度

  • 不提供任何不稳定警告信息

针对以上求解器的区别,建议用户:

  • 使用标准求解器来检查模型是否稳定

  • 模态分析使用特征值向量可以帮助寻找不稳定信息

  • 当模型十分完善和稳定时,切换到多线程求解器来提高分析速度

  • 如果模型非常巨大或者使用多线程求解器时出现内存不足时,使用高级求解器

  • 当电脑内存足够时,使用64位版本程序并且在使用多线程求解器时使用单独进程,以避免出现内存不足的情况。


分析进程选项

GUI进程

  • 使用于处理小模型

  • 优点:较少的硬盘操作

  • 缺点:占用内存较大,留给分析用的内存减少,这会导致分析缓慢并且有可能无法运行大模型

单独进程

  • 适用于中型到大型模型

  • 程序将分析模型写于硬盘中,再由CSI.SAPFire.Driver.exe读取分析模型并运行分析

  • 优点:分析引擎可以获得更多的内存,可以运行更大的模型并且分析的更快

  • 缺点:时间将花费于读写分析模型

自动

  • 程序默认设置

  • 预估必要的内存,然后与可用内存容量比较。如果可用内存容量足够,分析将运行于图形进程,否则交付于单独进程


4、为什么橡胶隔震支座的隔震结构在考虑P-Δ效应后为何程序计算的周期会变短?
ETABS或SAP2000在模拟隔震结构时,通常采用连接单元(Rubber Isolator)进行模拟。对于带铅芯的橡胶通常设置如下:
图 带铅芯橡胶隔震支座设置
对于不考虑P-Δ效应的模型,在计算模态时,连接单元按线性属性中的有效刚度取用。而对于考虑P-Δ效应的模型,在计算模态时,连接单元按非线性属性中的刚度取用。由于通常隔震模型中有效刚度要比屈服前刚度小很多,所有会出现隔震结构在考虑P-Δ效应后周期反而会变短的现象。


5、在 FNA 法中如何考虑 P-Delta 效应?并应注意哪些问题?

虽然在 FNA 工况中没有几何非线性选项,但是可以通过在模态分析中考虑 P-Delta 效应和在连接单元中设置 P-Delta 参数,来实现在 FNA 工况中考虑 P-Delta 效应。具体做法如下:

  • 在模态分析中考虑 P-Delta 效应

在 ETABS 中,可以通过 定义 > P-Delta 选项,预设 P-Delta 荷载工况,设置完成后,模态工况将自动考虑P-Delta 效应,如图 1。

图  预设 P-Delta 选项

在 SAP2000 中,首先需要定义一个非线性静力工况,此工况中应考虑几何非线性参数 > P-Delta ,如图2。

图  考虑 P-Delta 效应的非线性静力工况

然后,在模态工况定义中,将初始条件选择为接力非线性工况 > D + 0.5L ,如图 3。

图   模态工况设置

  • 在连接单元中设置 P-Delta 参数

横向位移 U2 或 U3 在轴力作用下会产生一个弯矩,总的 P-Delta 弯矩会以下列三种方式分配至节点:

  • 由两端的等值反向的剪力在单元长度上产生的弯矩

  • 在端部 I 的弯矩

  • 在端部 J 的弯矩

用户可以在连接单元的 P-Delta 参数中指定三个相应的分数来决定总的 P-Delta 弯矩如何被分配,见图4。对于零长度的连接单元则忽略剪力所指定的分数,若剩余两个分数为零,则默认设置为 0.5。

图   连接单元 P-Delta 参数

一般来讲,阻尼器只使用剪力项,隔震器只使用弯矩项,摩擦摆隔振器一般使用所有的弯矩在盘侧,而非滑动器一侧。


(完)

来源:建源学堂
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首次发布时间:2023-02-20
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建源之光
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