【JY】ETABS与Perform3D弹塑性分析功能对比示例
2023年2月22日 10:23ETABS的发展迅猛，Perform-3D高效稳定，它们各有所长，相关链接可看：
经过十余年的推广和实践， Perform-3D作为专业的建筑结构非线性分析与性能评估软件在国内已获得广泛认同。
ETABS也是国内工程师们熟知的多高层建筑结构分析和设计软件，抗震、减隔震的弹塑性分析一直是ETABS优势功能之一。
从ETABS2016版本开始，ETABS不断借鉴Perform-3D的功能特点加强完善性能化设计相关的功能，并进一步提升弹塑性分析效率。 当前的ETABS 目前已经融合了Perform-3D许多特色功能，建筑结构非线性分析与性能评估也成为ETABS的功能亮点。 对此，不少用户关心两个产品在这方面的使用方法和应用体验有什么区别。（目前ETABS的分析功能基本与Perform-3D融合）
本文试图从一个简单例子入手，对比ETABS v18.1.0和Perform-3D v7抗震弹塑性分析的相关功能，从应用的角度带来一些直观的认识，供工程师们使用产品时参考。
1、模型概况
本例为5层钢筋混凝土框架结构，规则对称。本文借用这个例子来展示功能，并不探讨结构本身的合理性。
该模型的 框架梁端指定了 塑性铰（弯矩铰） ， 框架柱两端指定了纤维铰 ，施加双向地震时程作用。分别独自建立ETABS模型（图1）和Perform3D模型（图2），并尽量保证两个模型的一致性。表1、图3~图5是部分计算结果对比，可以看到两个软件的计算结果吻合得较好。下文将逐一对比介绍模型的设置及相应的软件功能。
图1 ETABS模型
图2 Perform-3D模型
图3 层间位移角
图4 X方向基底剪力
图5 顶点位移
2、非线性分析设置
2.1材料本构
本例使用的材料有C30、C35和HRB400。材料的非线性参数主要包括： 应力-应变曲线、可接受准则和滞回模型 。材料的可接受准则通过材料应变来定义，用于使用纤维单元的构件性能评估。以下以C30为例对比本例材料参数的设置。
2.2纤维铰
本例框架柱使用了纤维铰，相关操作包括定义纤维截面、纤维段长度等。以下是本例底部中柱的纤维铰定义。
2.3塑性铰
本例框架梁使用了塑性铰（弯矩铰）。塑性铰的定义主要包括：骨架曲线、可接受准则、滞回模型。ETABS内置了ASCE 41-13和ASCE 41-17两本规范，可以根据截面信息自动生成相应的塑性铰。本例的梁铰即自动铰，相关数据自动生成。Perform-3D的塑性铰有多种类型，本例使用弯矩-转角铰，输入的数据与ETABS一致。
2.4 铰布置
框架的塑性铰一般布置在构件端部，建模时要确定铰在杆件上的位置，以及铰的长度，同时要避开节点区。本例中梁铰是零长度的弯矩铰，柱铰是相对长度为0.2的纤维铰。以下是两个软件关于铰布置的相关操作，在操作过程中尽量确保模型的一致性。
2.5 阻尼、工况设置
2.6性能检查
性能化设计一个重要的环节就是检查结构是否达到预期的性能目标，在建模期间设定的“可接受准则”是构件性能检查的衡量尺度。Perform-3D通过建立一系列的极限状态组（Limit State Groups），并检查其使用率（usage ratio）来进行性能检查。ETABS也引入了类似的做法，但从操作上简便了许多。
3、结果查看
3.1 大指标
基底剪力、顶点位移等力或变形的时程曲线两个软件都可以便捷地显示，但对于层间位移角等与楼层相关的结果，ETABS的显示更直观，操作也简单。能量图的表达两个软件是类似的，既可显示整个结构的累计能量组成，也可按组显示构件耗能的情况，ETABS的显示方式更灵活。
3.2 铰结果
本例采用了塑性铰和纤维铰。以下以柱端纤维铰为例说明典型的铰结果显示。
3.3性能评价
根据本文2.6节的定义，分析完成后可以查看各个构件的性能状态。 ETABS将其称为Hinge D/CRatios，Perform-3D将其称为Usage Ratios ，两者的含义是一样的，都是实际结果（如塑性变形）与目标水准的比值，可以理解为相对于目标水准，各个构件的损伤比率。通过Usage Ratios可以便捷地评估结构的性能状态。
以下是柱构件在大震作用下IO水准的损伤情况，图中的数据代表了柱截面中最大的纤维变形与IO变形的比值，大于1即不满足IO要求（本例仅展示功能，忽略构件截面可能存在的不合理性）。本例选择几根典型的柱构件，将两个软件计算的性能校核结果汇总于表2，可以看到两个软件计算结果吻合较好。
4、参数设置分析
Perform-3D分析效率很高是这款产品受欢迎的重要因素之一。
Perform-3D有一套相对“封闭”的求解策略，提供给用户干预分析过程的参数很少。
ETABS则不同，有许多分析参数需要用户根据模型情况进行设置，这些参数会显著影响模型的分析时长。
ETABS默认的分析参数设置适用于大多数情况。以下简要说明两个软件分析相关的主要参数，更详细的解释可查看软件的联机帮助或技术文档。
本例中，Perform-3D的参数保持默认，ETABS则根据不同选项区分了几种情况，将分析时长的数据结果汇总于表3。可以看到，如果分析参数设置恰当，ETABS的分析耗时已经接近Perform-3D，这相对于早几年的ETABS版本已经有显著的进步。
通过对表3的数据对比，对ETABS的参数设置有如下建议：
1）“铰细分”会显著影响分析时长，所以一般建议初次分析时关闭“铰细分”，遇到收敛困难时，可对局部杆件打开“铰细分”。
2）如果模型中出现塑性铰的数量较多、塑性程度较深（如大震的情况），ETABS的分析耗时会增加，但仍然有提高效率的办法。比如适当加大收敛容差，在表3中，括号里的数据是将容差从0.0001放大为0.005后的计算时长。
3）本例中ETABS“ETE”的方法并没有太大优势，也说明是否使用“ETE”是因模型而异的，“ETE”有助于收敛，但对于本例这种不存在收敛困难的模型，“ETE”在分析效率上并无优势。
注：
1 ）工况信息：单个双向地震作用时程分析工况，持时 40 秒。
2 ）计算机信息： i5-4570 CPU@3.20GHz ， RAM 8 GB ， 64 位操作系统。
3) 铰细分时铰相对长度为 0.2 。
实际工程项目通常需要计算多条地震波，此时采用并行计算可以大大提高分析效率。Perform-3D于v6版本增加了并行计算功能（图6）。ETABS于v18.1.0版本增加了该功能。图7是ETABS的高级分析选项，在“分析进程”中选择“独立进程”即可实现并行计算。本例采用并行计算同时求解中震、大震两个工况，计算时长汇总于表4（ETABS设置为仅迭代求解，收敛容差0.005）。对比表4与表3的数据，明显看到ETABS采用并行计算后计算效率又进一步提高。根据CSI的建议，高级求解器更适合处理大模型，常规模型多线程求解器求解速度更佳。
图6 Perform-3D并行计算
图7 ETABS高级分析选项
需要强调的是，本例分析时长的对比数据，仅供参考，并不能由此断言某种方式一定优于另一种。因为非线性分析是一个非常复杂的过程，有太多因素影响分析的效率和精度，我们需要始终明确的是分析目的（什么样的数据是关键有效的），而不是一味追求分析速度。
5、小结
本文从非线性材料定 义、铰定义和布置、工况定义、性能检查、结果输出、分析参数设置多个方面详细对比了ETABS和Perform-3D的功能特点。
可以看到，ETABS经过这几年的发展已完全具备处理建筑结构非线性分析及性能评估问题的能力，并且操作简单。对于多数结构工程师来讲，ETABS操作环境更加友好，易学易用。
Perform-3D复杂的理论体系和繁杂的操作模式常常令很多工程师望而却步，好在国内已有很多工具实现了Perform-3D的前后处理，让更多工程项目能使用Perform-3D。笔者认为，Perform-3D本身就是建筑结构非线性分析及性能评估技术的缩影，凝结了Powell教授杰出的研究成果和心得，学习Perform-3D的过程就是向Powell教授学习的过程，意义非凡。
总体而言，Perform-3D分析稳定、可靠、效率高，这与它精巧的组件设置、强大高效的求解策略、有选择性的数据存储以及针对性极强的产品定位都不无关系。
ETABS这些年在非线性分析功能、分析效率等方面进步显著，并且仍在持续改进中，同时ETABS具备更广泛的通用性，非线性分析类型更多（除了材料非线性问题，还有大位移等问题） ，因此可控的分析参数更多。
另一方面，ETABS存储数据量更大（比如包含所有纤维的细节结果），塑性状态更新比较耗时（与塑性程度有关） 。因此，处理ETABS的非线性模型，需要具体项目具体分析，合理的模型设置和恰当的分析参数会显著改善求解效率。
(完)
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