【JY】ETABS弹塑性分析注意要点和常见问题
2023年2月22日 10:25【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
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
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
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
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)
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