perform3d perform3d 结构非线性分析在PERFORM-3D中的实现方法

1概述PERFORM-3D三维结构非线性分析与性能评估软件，是一个致力于研究抗震设计的非线性软件工具。通过使用以变形为基础或者以强度为基础的极限状态来对复杂结构进行非线性分析。PERFORM-3D为用户提供了一个复杂地震工程工具来进行静力Pushover分析和动力弹塑性时程分析。

由于PERFORM-3D是以结构工程基本概念为基础，以结构构件的力学性能设定为前提，通过结构分析手段来得到整体结构的性能评估，符合工程师对结构性能的理解，其分析结果易于用结构概念和试验来进行验证，所以在美国得到了广大工程界的认可，特别是PERFORM-3D一直是美国科研机构和高校作为结构非线性性能评估的主要工具与手段，在FEMA系列规范制定的过程中起着举足轻重的作用。

目前国内已有部分工程采用PERFORM-3D进行动力弹塑性时程和Pushover分析，结果得到了相关专家的认可。
下面介绍软件在应用过程中的一些重要问题和解决办法。

2结构构件的模拟
2.1梁柱构件的模拟梁和柱可以采用两种方法在PERFORM-3D中进行模拟，一是采用塑性铰的形式，此时塑性铰的骨架曲线需要人工输入；二是采用纤维截面来模拟，这时程序可以通过材料的本构关系自动确定截面的塑性特性。对于钢骨混凝土和钢管混凝土形式的梁柱截面，如果采用塑性铰来模拟其塑性，需要输入这些截面塑性铰的骨架曲线，骨架曲线的来源为实验或者截面计算工具（例如：XTRACT、RESPONSE、CSI公司的SectionBuilder等），或者采用纤维截面来模拟。

（WwW.NiUbb.NEt]2.2剪力墙构件的模拟
剪力墙一般由墙肢和连梁组成，墙肢的受力特性和柱比较相似，基本满足平截面假定，地震作用下产生剪切破坏或者弯曲破坏，比较矮的连梁在地震作用下产生剪切破坏或者弯曲破坏，比较高的连梁在地震作用下产生剪切破坏。
根据钢筋混凝土剪力墙的受力特点，需要模拟其弯曲破坏和剪切破坏特性，对于弯曲破坏特性采用纤维截面来模拟，剪切破坏特性采用一种剪切材料来模拟。

2.2.1弯曲和轴力特性

1)P-M的相关性移动的中性轴在弹性的分析模型中是不能模拟的，在非线性分析中，截面的中性轴是变化和不断偏移的，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的相关性是用纤维截面来模拟的，对于钢筋混凝土剪力墙就需要采用钢筋纤维和混凝土纤维。

2)钢筋纤维和混凝土纤维截面
钢筋纤维可以屈服，可以模拟钢筋纤维屈服后的刚度滞回退化效应；混凝土可以开裂，同时可以滑移，通常设定混凝土的抗拉强度为零，除非要真实模拟滑移，通常忽略混凝土的脆性强度损失。

在PERFORM-3D中轴向的变形和弯曲影响纤维截面，其他的变形不影响纤维截面的变形，在PERFORM-3D中用纤维截面考虑P-M的相关性。当剪力墙在弯曲荷载作用下屈服，通常表现为梁、柱类似的一个塑性铰区，塑性铰的一个关键点为塑性铰的长度，在ASCE41规范中塑性铰的长度为0.5倍的墙的宽度，但是不能超过层高，塑性铰的长度仅仅是弯曲荷载作用控制的，对于剪力作用是没有必要考虑塑性铰的长度的，塑性铰的长度并不会因为有限单元的边界而变化。

2.2.2剪切特性
剪切破坏是趋于脆性的一种破坏，在PERFORM-3D中剪切特性通常采用以下两种方法来模拟，一种是设置弹性剪切材料，检查构件的强度，一种为设置非线性剪切材料，检查构件的变形。当然对于弹性的剪切材料的分析是很简单的，设置非线性剪切材料就会相对复杂一点，剪应力和应变对于整个剪力墙单元是不变的，剪力也是作用在整个单元上，因此对于剪切破坏是不必指定“塑性铰”的长度，这点和弯曲作用有区别。
对于设置钢筋混凝土剪力墙的非线性剪切材料，PERFORM-3D中综合考虑混凝土和钢筋的共同作用而采用等效剪切模量，其值和钢筋混凝土剪力墙的配筋率有关。PERFORM-3D不仅可模拟混凝土剪力墙的弹塑性性能，还可以模拟钢板剪力墙，目前钢板剪力墙在一些国内外的工程中正得到应用。

3动力弹塑性时程分析方法在PERFORM-3D中实现的几个问题

3.1滞回环在循环荷载的作用下，非线性构件耗散能量，耗散能量的大小为滞回环所包围的面积，因此滞回环的大小和形状将很大程度上影响结构的响应。在非线性静力推覆分析中，滞回环是在隐式考虑的（非线性静力推覆分析中没有循环荷载），由于动力荷载的存在，不同的结构构件将会有不同的滞回环，因此滞回环必须明确给出。PERFORM-3D可以对滞回环进行完全控制，滞回环采用YULRX骨架曲线形式。

3.2阻尼弹性结构的耗能通常是通过各种机械能，通常在分析中被模拟为粘滞阻尼；如果结构屈服，它的耗能将会更直接通过非线性行为，构件的耗能通过滞回环的面积来衡量，滞回耗散的能量并不能完全涵盖结构的耗能，结构仍有大量的弹性能量耗散，弹性能量的耗散仍模拟为粘滞阻尼，在动力弹塑性时程分析中结构的粘滞阻尼采用Rayleigh阻尼来模拟。图1中Mα阻尼器连接质量和大地，贡献外部阻尼力；Kβ阻尼器和结构单元并联，贡献内部阻尼力；结构的动力方程中，阻尼矩阵为：CMKαβ=+；Rayleigh阻尼矩阵的物理意义非常明确，但是,αβ如何取值并不是十分明确，目前基本可通过常数阻尼比和模态周期来确定，一个可行的方法为：选择Tb=0.9T1及Ta=0.2T1，在给定的阻尼比（比如0.05）下计算,αβ，阻尼比在前几阶模态基本为常数，阻尼比对于高阶模态会变大。Rayleigh阻尼在PERFORM-3D中建议的取值方式：
1）选择阻尼比（例如对于混凝土结构取0.05）；
2）确定0.2倍和0.9倍的弹性第一阶周期；
3）在PERFORM-3D中计算结构第一阶周期，然后计算,αβ值。

3.3时程积分目前有多种step-by-step求解方法，PERFORM-3D采用平均加速度法。PERFORM-3D中没有使用变步长的step-by-step方法求解方式，时间步Δt对于每一个时间步为一定值，在每一个时间步中，荷载的增加是知道的，所以step-by-step方法采用荷载控制，位移控制对于step-by-step方法是不合适的。时间步长Δt必须足够短来满足以下两点：

1）捕捉结构的反应。时间步长不能超过结构最短周期的1/10。如果结构的一阶模态的周期为T1，最高阶模态的周期大约为0.1T1，因此Δt不能超过0.01T1，例如：如果T1=2s，Δt不能超过0.02s。