【JY】各软件框架的弹塑性分析对比

写在前文

目前国家现行规范通常执行的是：进行多遇地震阶段的结构弹性设计，再进行罕遇地震下的构件承载力与变形校核。

罕遇地震下的抗震性能化设计一般采用弹塑性分析方法，是在多遇地震弹性设计基础上的变形复核:当不满足罕遇地震阶段的性能目标时，需要重新进行多遇地震下的结构布置与构件截面调整等设计内容(当轻微不满足时，可只提高弹塑性模型的配筋进行罕遇地震阶段的再评估)，总的来说是一个迭代的过程。

当构件超过屈服承载力以后，虽然也可以根据等效弹性分析的内力结果进行有关极限承载力验算，甚至可能认为极限承载力验算可与变形验算的结果建立一定的关联性，但是当结构将出现发生非常显著的刚度退化和内力重分布，此时的结构内力将显著低于根据初始弹性刚度计算的结构内力，因此在采用接近于初始弹性刚度的所谓等效弹性刚度时，构件内力验算往往出现很大的失真并偏于保守。

因此弹塑性分析对于抗震性能化设计起至关重要的作用，并且需要一套准确稳定的计算内核才能保证整体设计的可靠性。

做一个小算例验证各个软件的梁柱单元的非线性性能对比。由于剪力墙的非线性行为较为复杂，本期先不讨论，后面有空再和大家分享~

做一个4×5的框架，采用600×600的柱子，和300×500的梁，采用YJK进行计算分析得到的计算配筋。分别导入 JYSAP、Etabs、Perfrom3d、Abaqus、SSG进行动力弹塑性分析计算。

（注：Abaqus采用自编子程序，非SSG导出子程序。）

带入一条人工波，以PGA=510Gal进行条幅，X：Y=1：0.85进行输入，并简要的对各软件的关键结果进行整理及总结。

JYSAPOS V1.0

注：JYSAP目前只是笔者闲时开发的一个小玩具，主要做做计算对比~ 目前为非商业工程软件。

周期与振型对比

可见各软件在线弹性下的周期，对比吻合度较高，可见各个软件线弹性行为基本一致~

从下各个振型图也可看出个软件的振型形态也基本一致。

JYSAPOS 振型

Perfrom3D振型

Etabs振型

Abaqus振型

SSG振型

顶点位移时程对比

各软件对结构进行动力弹塑性分析，并取顶层位移进行双向的对比分析。

全部对比

将所有曲线放在一起会发现不论是X或者Y都显得十分凌乱，感觉各软件好像没得对比。为了方便对比，将分成两个类型的软件进行区分，好便于对比：

1、隐式计算+宏观单元类

2、显式计算+所谓的精细化单元类

图 X-方向

图 Y-方向

JY/Ets/P3d

关于隐式计算+宏观单元类，笔者的自编玩具JYSAP也是深受非线性大师 鲍威尔教授的影响，采用宏观单元的形式进行编写。可见这三个软件的计算结果趋势和相位都基本吻合。（梁单元均采用塑性铰单元、柱单元均采用纤维铰单元）

【JY】ETABS与Perform3D弹塑性分析功能对比示例

图 X-方向

图 Y-方向

Abaqus/SSG

关于显式计算+所谓的精细化单元类，采用国内结构工程师保姆级软件SSG，或采用各个工程师自编各具特色的Abaqus的子程序均可进行分析，但是由于显式计算存在蝴蝶效应，因此对结果的近似性或者唯一性很难把握，计算分析结果如下：

图 X-方向

图 Y-方向

位移角对比

将所有位移角曲线进行对比整理，如下图所示。

损伤评估

Etabs默认用的美标加固规范的性能水准评价，IO、LS、CP，详情可看：

【JY】浅析基于性能的抗震分析方法——性能设计

Abaqus的结果没有用任何标准，仅仅展示的是混凝土的受压损伤。

JYSAPOS、Perfrom3D的评价标准调整为T/CECA 20024-2022 建筑结构抗震性能化设计标准中混凝土构件位移角的性能标准。

SSG也调整为T/CECS 906-2021 建筑结构非线性分析技术规程中采用材料层面进行评价。（若采用混凝土构件位移角的性能标准，SSG给出的答案是毫无损伤！！）

可见Perform3d、JYSAP可以非常吻合的对比上，证明了JYSAP初步领悟的鲍威尔教授的精髓。

虽然不同的性能评价标准结果趋势可能存在差异，但是Etabs的损伤趋势也可与上述Perform3d和JYSAP吻合得上。

Abaqus和SSG的损伤趋势从表明上估计，仍然勉强可以对的上，但基于材料层面的性能评价显示上显得过于严苛，对于评价是否正确还有待考究。

小结与JY观点

结构的抗震性能能力在很大程度上取决于模型假设。每种建模的方法可能导致结构产生存在差异的倒塌行为模式。因此能力评估是一件极其困难的事情，并不是简单的钢筋+混凝土=钢筋混凝土，从目前的技术手段来看，精细化分析只是个噱头，并不能做到仿真层面的精细化，即使结构很小也很难建立精确的分析模型，尤其是考虑循环变形时。

从基于构件变形的宏观校核，包括针对梁、柱、剪力墙等受弯、压弯或拉弯构件的弹塑性位移角指标，是通过大量构件抗震试验统计得到，涵盖了钢砼构件内部各部分的相互作用（热膨胀、徐变、滑移）、力学上有机结合等等。因此，基于构件变形的模型经常采用构件的力—变形模型，包括弯矩一曲率模型、弯矩一转角模型、剪力一转角模型、剪力一位移模型、轴力－位移模型等，且考虑轴力与弯矩的相关性（PMM）等这类宏观力学模型对结构进行计算分析。

从基于混凝土应变或损伤因子、钢筋和钢材应变的材料层次细观校核。由于该评价方式并不能通过直观统计的方式进行验证，通常建议作为备选的评价方式予以采用；对于复杂受力/新型的构件，未通过大量构件抗震试验的，材料应变评价将是唯一的手段。

总的来说，位移角结果在构件试验研究中容易获得从而很自然地成为一项重要的评价指标；甚至说塑性铰或截面曲率的评价聚焦于构件的塑性变形段，更便于真实反映构件的塑性变形情况。因此基于构件变形的宏观校核应常作为优先选用的评价指标。因此，从评价效果看，基于塑性铰转角特别是截面曲率的评价指标是较为理想的评价指标但从与试验结果的对比或验证关系看，位移角更简便直观的。

然而基于材料应变的评价具有一定的唯一性，但它无法反映构件全截面的综合受力情况，特别是将混凝土和钢筋的评价予以分离而难以进行构件变形的综合评判，因此在构件变形模式相对简单时往往不作为优先选用的评价指标。 实际上，基于材料应变与基于构件变形二者在本质上应属表征相同的损伤特征，目前有学者在研究且建立二者相关关系。

爱德华·威尔逊 说过：

我大学一年级的物理教师曾教条地警告学生:“绝不使用你推导不出来的方程。”他还这样说，“如果一个人用 5分钟时间来解决一个与人性命做关的问题，他应该花3分钟的时间去研究这个问题，并清楚地理解它。”在过去的 40 年里，这些简单而实际的教导一直在指导着我的工作，而且我希望这种哲学思想已经传给了我的学生，就现代结构工程而言，可以把这些话重新叙述为 “除非你完全理解了程序采用的理论和近似方法，否则绝不使用任何一个结构分析程序”和“在没有清楚地定义荷载、材料属性以及边界条件之前，不要创建计算机模型”！

完