本帖最后由 strat0fj 于 2014-4-22 20:32 编辑
建筑结构大震分析——单元细分与模型精细化
——Abaqus与STRAT，40小时、4.3小时与0.15小时
大震分析耗时长代价高，计算结果离散性大，理论与实践均存在很多难点。下面通过一个具体工程的不同分析模型，揭示大震分析实践普遍存在的误区。
某超高层工程，
36
层，总高度
153m
，框架
-
核心筒结构，型钢混凝土框架柱，
8
度
(0.2g)
抗震设置。分别采用
Abaqus
、
STRAT(单元细分)、
STRAT(精细化模型)，进行大震弹塑性时程计算。各模型计算
12s
波，仅
X
向单向，如图
1
所示。
图1、计算地震波(12s)
1) ABAQUS模型
梁、柱、墙按1m细分。考虑弹性楼板，板单元分布依据楼面梁格。
单元总数：
67022
计算时间：约
40
小时 (电脑I7-4770k，八核，3.5GHz，32G内存)
图2、Abaqus模型整体 图3 Abaqus核心筒剪力墙细分
2) STRAT单元细分模型
作为通用软件，
STRAT
软件同样可以建立单元细分模型。类比
Abaqus
软件的模式，对核心筒的剪力墙、连梁用墙单元细分。并且为了与连梁的尺寸匹配，细分密度达到
0.6m
，见图
4
，高于
Abaqus
模型。在用细分墙元的内部，再采用
4′4
的纤维细分，见图
5
，实际纤维密度达
0.15m
。
梁柱单元仍采用
STRAT
高精度纤维单元，在单元层次不细分，而在单元内部实现纵向纤维分段。分段长度
0.5~1m
，见图
6
。纤维分段数大于
Abaqus
的梁柱单元细分密度。
采用弹性楼板，实际输入板单元模拟楼板。板厚度分
12
层纤维
(2
层钢筋
)
单元总数：70637
计算时间：4.3
小时 (电脑I5-3470，四核，3.2GHz，4G内存)
图4、STRAT核心筒墙元细分 图5、STRAT墙元细分基础上的纤维细分
图6、STRAT梁柱纤维 图7、STRAT纤维模型
3) STRAT纤维模型
采用
STRAT
典型的纤维模型。剪力墙在单元层次上不细分，而采用更密的纤维，纤维密度
0.5m
，见图
7
。梁柱纤维密度，同
2
中的模型
(
同图
6)
。采用刚性楼层假定，不另外输入板单元模拟楼板。
单元总数：12721
计算时间：0.15
小时 (9分钟) (电脑I5-3470，四核，3.2GHz，4G内存)
4) 计算结果主要指标
Abaqus
STRAT (单元细分)
STRAT (纤维模型)
图8、顶层位移曲线
Abaqus STRAT(单元细分) START(纤维模型)
图9、损伤和屈服(核心筒部位)
现象1：相同计算量耗时悬殊——显式积分、隐式积分的效率
在相同计算规模下，
Abaqus
计算时间是
STRAT
的9.3
倍。如考虑到电脑性能的差异，合理估计是12~15
倍。
Abaqus
作为先进软件速度有如此差距，其原因在于
Abaqus
采用显式积分，而
STRAT
采用隐式积分。显式积分在计算效率上的优点，在于不需分解矩阵，因此总刚矩阵实现最小存储。但
STRAT
基于
PCG
迭代基础上的隐式积分，总刚矩阵同样是最小存储
(
与显式完全相同
)
。显式积分需要加密计算步长，相对应地
PCG
需要一定数量的迭代过程。
实践表明，
STRAT
软件的隐式积分
+PCG
迭代，是一种非常高效的计算方法，
STRAT
软件发展了有限元技术实践
!
需要指出的是，如果不采用
PCG
迭代而用直接解法，
STRAT
需增加
2~3
倍时间，即便这样，
STRAT
仍然快于
Abaqus
！
有一种错误的认识，认为显式积分是先进算法。实践的结果如此恰恰相反。
STRAT
曾研初步发出显式积分，正因为效率低而没有进一步发展。
现象2：达到工程精度的细分，与计算效率
Abaqus
梁柱单元采用刚度法，必须细分。要达到工程计算精度要求，需要细分到一定的密度。该工程
Abaqus
的模型按
1m
长度细分单元，算例表明，其精度仍然不能认为很高。
在这种细分精度下，不很大工程
(36
层
)
、高性能电脑、
12s
波便需要
40
小时，如
40s
波更需要
133
小时
(5.5
天
)
，其计算效率是非常低的。实际上，为了缩短计算时间，很多超高超大工程，都采用了较为粗略的单元细分。
现象3：不必要的弹性楼板
对完整性较好的楼板采用刚性楼层假定，符合结构的实际受力特点，且能减少计算量、加快计算速度。图
10
表示是该结构第
8
层楼板分析结果，核心筒部分少量混凝土屈服，而钢筋完全没有屈服，表明楼板状态良好。
由于显示积分难以处理刚性楼层假定带来的刚度集聚，因此
Abaqus
软件大震分析，均需要采用弹性楼板。采用弹性楼板是算法缺陷的应对措施，并不是必要的，更不应认为是先进的。
图10、STRAT弹性楼板屈服 (左砼屈服6，右钢筋屈服0)
全部回复（1 ）
只看楼主 我来说两句 抢板凳我们考察不同模型对于连梁的处理。如图11所示，在用细分的墙单元模拟连梁时，沿高度方向只有一个墙单元，Abaqus、STRAT都一样。仅从受力角度，这样单排的墙元模拟连梁精度就不足。在考虑非线性计算精度的积分点(纤维数)，也同样不够。如用STRAT典型的纤维梁单元模拟，截面细分96纤维(砼72+钢筋24)，纵向10段，一个梁即有960个纤维，精度极高。
计算结果表明，纤维梁模拟的连梁大范围屈服，这符合工程常识。而细分墙模拟的连梁屈服相对较少。而见图12。
由此可见，细分并不能确保计算精度。采取符合受力特性的单元，才能达到合理的结果。
图11、连梁采用墙元细分模拟，和纤维梁模拟
细分墙模拟，连梁屈服较少 梁纤维模拟，连梁大范围屈服
图12、不同模型下的连梁屈服 (6层)
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