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【转】OpenSEES自学笔记(二)  

2012-04-18 11:21:49|  分类: OpenSees |  标签: |举报 |字号 订阅

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下面要小结的是我在做第一次OpenSEES仿真分析作业中具体针对这次作业的疑问和收获,最后还将大致展示下分析结果。

这次作业是模拟位移控制下方钢管混凝土柱(取材于吕西林、陆伟东完成的一次试验[1]。计算高度800mm外围钢管宽200mm4mm轴压比0.5钢材OpenSEES自学笔记(二) - qiqi_618 - 用心记录生活。 ,用steel02模拟;内填混凝土OpenSEES自学笔记(二) - qiqi_618 - 用心记录生活。 ,用concrete02模拟。本构参数计算参考Mander[2]和蔡健等人[3]提出的公式)的抗震性能。我先是做了模拟滞回曲线和试验滞回曲线的对比分析,然后又分别以轴压比、内填混凝土强度和宽厚比对柱抗震性能的影响为题做了参数分析。

 

先说遇到的疑问吧。

为什么模拟的滞回曲线经常不关于原点对称?

我的设计意图是给定一系列最大位移值,算出下每个最大位移值下从零→正向最大位移→零→负向最大位移→零的位移步序列,然后用位移控制加载。柱在加载正、反向尺寸、刚度、材性相同。所以我认为滞回曲线应该是关于原点对称的。可是模拟出来n个曲线,几乎都不符合我的预期!随便举一例:

此图是我模拟得到的一个滞回曲线,可以很明显看出曲线关于原点不对称!

这是为什么?

用位移控制作滞回分析时,最大位移序列及步长如何确定?

我发现一个奇怪现象:同样一根柱,在其他参数不变的情况下,仅改变最大位移序列(这个本来就是应该由用户指定),就会影响结果的收敛性(当然,不是指因位移设置过大使柱破坏的情况)。例:我曾经分析过一个柱,当最大位移序列为"2 7 12 17 20"时,计算收敛;而当序列为"2 8 14 20"时,就不收敛了!再例如:当最大位移序列为"1 3 5 9 11 14"时可能计算不收敛,而改变下步长,甚至加大位移,如改为"1 3 5 9 12 15"——反而可能收敛!

这种现象带来一个很大的麻烦:我根本无法较准确的知道某个柱的极限位移!因为有时会出现(例如)最大加到12mm时不收敛,改变步长后最大到14mm却收敛了!但再继续往大的加,又有可能不收敛……而我不可能一直这么尝试下去——所以在确定最大位移时显得主观性很强!这恐怕也是这次练习中最严重的潜在问题了!

 

再分享一点收获:

这次OpenSEES命令流编写给我在编程方面两个启示

1、编程中可以用生成存储向量的文件这一方法来模拟动态一维数组。以前我用C语言编程遇到需要动态一维数组时总是用指针加malloc命令模拟,但这还不是彻底"动态"——程序需要在此之前确定动态数组的长度。而现在把未知数量的数据(可能是用户输入,也可能是程序生成的中间数据)存入文件,就能实现真正意义上的"动态"了。

2、在编制一个较复杂的程序时,把功能不同的函数各自做成单独的"子函数"文件,而主函数文件仅仅主要起调用这些子函数文件的作用——是一个不错的编程习惯,因为这样充分体现了模块化思想。

例如在这次编程中,我起先是按习惯把所有函数写到一个文件里,结果最后文件很长,给阅读、调试程序带来很大麻烦(当然,这也与Tcl Editor没有像Visual Studio那样的"折叠"功能有关)。后来参考老师给的模板程序,把各个子函数存放到不同的子函数文件中——这样一来各个文件的长度都比较短,读起来很清爽,而且编辑、调试时自己非常清楚当前编辑的是哪一个功能模块。

Steel01Steel02的对比

为了解这两种材料本构模型的区别,我在这次作业建立的模型基础上做了一个小试验;保持其它一切分析参数不变,只是一次分析中钢材用Steel01(当然,所需参数要少一点),另一次用Steel02;将分析得到的滞回曲线放到一起对比。如下图所示:

OpenSEES自学笔记(二) - qiqi_618 - 用心记录生活。
  

分析结论和疑问都写在图片中,请大家过目!


另外,有位网上高手对我这次方钢管混凝土柱模拟提出了一些宝贵建议,贴出来与大家分享:

事实上,压弯破坏的柱子用纤维单元还是可以模拟得比较准确的。

即使不采用具有严格有限元列式的纤维梁单元,而使用条带法等类似方法也能获得较好结果(如吕老师文中方法)。

吕老师的那篇文章是国内做方CFT柱被引用很多的文章了,但窃以为他的试验边界条件处理一般。要知道,维持竖向力和水平力的实际加载情况与数值模拟一致不是那么容易的。

国内外一般主要采用两端铰接、中点往复加载(如Park、Priestly等),或采用悬臂式(如Varma、肖岩等)加载。无论怎样,要想维持加载过程中边界条件的完美如一都是很难的。

因此真要拿数值结果与试验进行对比的话,选择那些已取得成功模拟结果的文章可能是最好的捷径。


最后,大致展示下分析结果。献丑了!欢迎拍砖!

(1)主要程序的流程图

Main.tcl(主程序)——生成数据文件存放目录,定义单位和参数,声明调用子文件

normal.model2.tcl——建模,轴力加载

LibGeneratePeaks.tcl——生成荷载步文件

Cycle.tcl——进行基于位移的滞回分析

(2)滞回曲线对比分析

图1 滞回曲线对比

图1为本仿真分析与原试验滞回曲线之对比(图中红色、标记为"本次分析"的为本次仿真分析的结果;黑色、标记为"吕西林等"的为文献[1]中的结果)。其中试验滞回曲线的获得利用了BMP2DATA软件[4]

正向最大位移(mm)

反向最大位移(mm)

正向最大荷载(kN)

反向最大荷载(kN)

试验

17.3

11

160

151

本仿真分析

17

17

139.661

137.74

误差

-1.76%

54.55%

-12.71%

-8.78%

表1 试验与本仿真分析结果的正、反向最大位移、荷载对比

表1中数据为试验与本仿真分析结果的正、反向最大位移、荷载对比结果。

(3)参数分析——轴压比对柱的抗震性能之影响

轴力(kN

轴压比

1

500

0.23

800

0.36

1100

0.5

1400

0.64

1700

0.77

表2 轴压比取值列表

将不同轴压比下的运行结果整理并汇总,得到不同轴压比下柱的曲线,如图2所示。

图2 不同轴压比对应的R4M5柱曲线

(解释下,我分析的这根柱代号沿用文献[1]中的叫法——R4M5R——Rectangular section,方形截面;4——钢板厚度t为4mmM——Middle strength,混凝土强度等级为C40;5——轴压比为0.5

(4)参数分析——混凝土强度对柱的抗震性能之影响

标号

压缩弹模

轴力(kN)

C40

31.00[1]

848.661

C50

38.5[1]

1100

C60

39.34[1]

1049.629

表3 混凝土强度及对应轴力取值列表

得到的各混凝土强度对应的骨架曲线如图3所示:

图3 各混凝土强度对应的R4M5柱曲线

(5)参数分析——宽厚比对柱的抗震性能之影响

宽厚比()

轴力(kN

2

100

913.440

4

50

1100

5

40

1123.167

10

20

1458.222

表4 及对应轴力取值

参数分析结果如图4所示。

图4 不同宽厚比对应的R4M5柱曲线

 

还有一个有意思的分析结果(当然这个不能拿到正式场合去了)——我把滞回曲线的动态生成过程模拟出来了,见视频:

画面上移动的小十字就代表当前曲线生成的点。是不是很好玩呢?


最后的最后,娱乐一下——这个作业在过来人看来也许简单得不值一提,但是对于我这种智商的人,却足足做了半个多月!天天坐在电脑前调这些滞回曲线弄得我头都大了!期间有一次将早已呆滞的目光移开屏幕,却惊喜的发现桌上早已有两天天然的滞回曲线!

OpenSEES自学笔记(二) - qiqi_618 - 用心记录生活。
图5 键盘和笔记本电源的滞回曲线 

有下降段哦亲!生活中不是缺少美,而是缺少发现滞回曲线的眼睛!OpenSEES自学笔记(二) - qiqi_618 - 用心记录生活。


参考文献:

[1] 吕西林,陆伟东。反复荷载作用下方钢管混凝土柱的抗震性能试验研究。建筑结构学报[J]。2000 Vol. 21 No. 2 P. 2~11,27

[2] Mander J.B., Priestley M.J.N., Park R..Theoretical Stress-Strain Model for Confined Concrete. Journal of Structural Engineering [J]. Vol. 114, No. 8, August, 1988.

[3]蔡健,孙刚。方形钢管约束下混凝土的本构关系。 华南理工大学学报(自然科学版)[J]。第36卷,第1期,2008年1月

[4] 陈学伟。[工具]滞回曲线描图工具BMP2DATA程序[CP]http://www.dinochen.com/article.asp?id=146

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