并行计算在弹塑性动力时程分析中的实现和效率

简介： 结合我国首幢上海园南配筋砌体高层住宅，首先简介了同济大学、湖南大学和哈尔滨建筑大学等专家及研究人员所做的实验和计算分析情况

提 要 太原市政务中心地上 7 层，总高度 34.2m，平面尺寸 166m×154m。将 SATWE 分析模型转换成 PKPM-SAUSAGE分析模型，二者模态分析结果相近。选取 2 组天然波、1 组人工波，以研究结构的动力弹塑性响应，得到结构在罕遇地震作用下的变形、内力和损伤情况。分析结果反映了结构在罕遇地震作用下构件塑性损伤发展过程，以及由此引起的结构刚度退化和塑性损伤耗能。剪力墙连梁出现不同程度的损伤，大部分剪力墙墙肢受压损伤因子较小，钢桁架未出现屈服。考虑材料非线性的结构最大弹塑性层间位移角均满足 1/100 的规范限值要求，结构满足大震不倒的设防要求。

现行抗震采用二阶段设计实现三水准Ⅲ设防目标。第一阶段设计是承载力验算，其地震力取第一水准的地震参数。在进行第一阶段设计的抗震验算时，对规则对称的结构可允许分别计算两个主轴方向，．即单向计算。可以认为单向计算是一种间化的分析方法。对质量和刚度明显不对称的结构，则不能用简化的单向计算，必须计入双向地震作用的影响。

本文对结构在地震作用下的整体反应和构件损伤情况进行了分析和评估，可供参考。

本文概述了现有的弹塑性分析方法即静力和动力弹塑性分析方法，并比较了其优缺点。同 时，应用大型有限元软件ABAQUS 对西昌某超高层建筑进行了动力弹塑性时程分析，对动力弹塑性 时程分析方法在高层、特别是在超限高层分析中的推广和应用提供了有益的参考和借鉴。

环贸广场塔楼为超限高层结构， 基于 PEＲFOＲM-3D 软件， 采用弹塑性时程分析方法对结构在罕遇地震作用下的抗震性能进行了评估， 分析结果表明结构整体损伤处于轻度到中度之间。

赣州西站整体形象为舒展的腾飞之翼，展现了赣州生机勃勃的城市精神风貌，建筑效果见图1。主站房为线上式高架站房，采用“桥建合一”的结构形式。车站总建筑面积91572.6m2，其中站房建筑面积49864.7m2，站台雨棚面积11943m2。

深业上城高塔为一大型酒店和办公的超高层建筑，地上 80 层，结构高度 388 米。塔楼采用了巨型框架+核心筒结构体系，其中巨型外框架由巨柱、带状桁架组成、双层环梁及型钢混凝土连接梁组成。采用型钢混凝土连接梁联系外框架和核心筒而不设伸臂是本塔楼结构的一个创新点。通过 7 组罕遇地震波作用下的动力弹塑性分析，可以表明：结构抗侧刚度沿竖向均匀，楼层剪力传递简单合理；最大弹塑性位移角大于 1/100 规范限值要求；连梁和型钢混凝土连接的梁大部分出现了混凝土的受压塑性损伤，很好的起到了耗能作用；剪力墙混凝土的受压损伤因子较小，巨柱及带状桁架保持弹性，结构可以满足“大震不倒”的性能目标。

罕遇地震弹塑性静、动力分析

在ABAQUS有限元分析软件的基础上,开发了针对钢筋混凝土杆系结构弹塑性分析的混凝土材料子程序。在程序中,建立了基于应力-应变关系层面的材料非线性本构关系及滞回模型。

探讨了 PKPM-SAUSAGE 软件所采用的 CPU + GPU 并行计算技术，结合钢材和混凝土本构模型、纤维梁单元与分层壳单元、瑞利阻尼和振型阻尼模型及显式分析方法，详述了其并行计算实现要点，并对并行计算效率进行了测试。测试表明，CPU + GPU 并行计算技术的应用极大地提高了复杂结构非线性分析的计算效率。以某实际钢筋混凝土框架-核心筒结构为例，采用 PKPM-SAUSAGE 软件与 ABAQUS 软件对其进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析，验证了 PKPM-SAUSAGE 软件 CPU + GPU 并行计算的正确性与高效性。

安联大厦弹塑性时程反应分析及抗震-陛能评价安联大厦弹塑性时程反应分析及抗震-陛能评价安联大厦弹塑性时程反应分析及抗震-陛能评价安联大厦弹塑性时程反应分析及抗震-陛能评价安联大厦弹塑性时程反应分析及抗震-陛能评价

利用空间弹塑性时程分析软件 EPDA , 采用 Taft 波 ,EL - centrol 波 , 兰州人工波分别沿 x 方向、 y 方向、 45 °方向分别输入地震波 , 对高烈度区某空间框架结构进行了弹塑性时程分析 , 找出其薄弱层的位置 , 给出了塑性铰出现的位置及规律 , 通过对计算结果的分析 , 给出了一些有益的结论 , 供设计人员参考 .

本资料介绍了考虑高振型阻尼影响弹塑性时程分析的原理与方法，并通过对沈阳宝能环球金融中心 T2 塔楼的大震弹塑性分析，比较了考虑高振型阻尼影响与未考虑高振型阻尼影响结果的差异性。

建筑结构学报Journal of Building Structures 第32 卷第6 期2011 年6 月 Vol. 32 No. 6 June 2011 摘要:某超高层建筑造型和结构体系独特，其结构为刚度和质量均不对称的超高层双塔连体体系。由于南北两座塔楼的刚 度存在差异，结构的扭转反应明显。采用NosaCAD 有限元软件建立整体结构分析模型，分析结构在7 度多遇和罕遇地震下 的弹塑性时程反应，得到结构在地震作用下的变形、内力和破坏情况的变化过程。结果表明: 7 度多遇地震作用下，结构构 件未出现损坏; 罕遇地震作用下，结构最大层间位移角满足1 /100 的限值要求，结构框架梁柱未出现破坏，筒体构件破坏顺 序和分布较为合理，能在一定程度上耗散地震输入能量，结构可以满足“小震不坏，大震不倒”的设防要求; 根据构件的受力 及破坏情况，建议加强底部和加强层核心筒的配筋。

以工程实例说明弹性及弹塑性时程分析地震波选取的重要性；从“统计意义上相符”和“基底剪力的下限要求”等角度探讨了弹性时程分析选择地震波的基本原则和实际工程应用注意事项；通过基本理论分析和工程实例说明了如何利用位移谱在进行弹塑性时程分析时有效选取地震波。

地震作用是建筑结构可能遭遇的最主要灾害作用之一。几十年来，人们积累了大量的实测地震资料，这些资料多以位移、速度或者加速度时程的形式体现。与此相对应，时程分析方法也被认为是最直接的一种计算建筑结构地震响应的方法。但是，由于地震作用随机性导致计算结果的不确定性，弹性时程分析方法只是结构设计的一种辅助计算方法；虽然如此，抗震规范为了增强重要结构的抗震安全性，还是将弹性时程分析方法规定为常遇地震作用下振型分解反应谱法的一种补充计算方法；尤其是考虑了结构的弹塑性性能后，弹塑性时程分析方法更是被普遍认为是一种仿真的罕遇地震作用响应计算方法。

基于动力弹塑性分析，介绍了三个大跨度场馆的大震下安全度评价和优化设计，通过对核心筒和钢构件截面的优化，形成合理的结构破坏模式，达到节省钢材并减少剪力墙和主要受力构件在大震下塑性屈服的目的。大震下动力弹塑性分析不仅为第二阶段设计提供了验算手段，同时也为第一阶段结构设计优化提供了依据。

回顾与总结了结构在大震作用下的非线性动力反应分析成果,包括结构整体分析模型,构件单元模型,恢复力模型以及运动方程的求解等问题。基于平面杆系模型,针对结构在多遇及罕遇地震下的弹塑性时程响应计算结果及其与现行规范设计结果的对照,对今后结构非线性抗震设计提出了建议。

已知条件如下： 从一层到6层，刚度(Kn/mm): 583.970 583.264 583.264 474.254 474.254 454.756 屈服位移：(mm) 14.3 12.2 12.5 10.1 9.1 8.4 各层重力代表值：(KN) 10360 9330 9330 9330 9330 6130 受eicentro地震波（1940年，南北方向，可从论坛上下载论坛上的峰值为341.7），峰值0.40g，，求各层层间位移。 阻尼比取为0.05。 以周福霖为代表的研究团体得出结果如下： 各层位移（从一层到6层）(mm)(层间位移) 36.5 40.6 14.8 60.4 19.1 7.69 我编的程序的运行结果如下：(mm)层间位移 35.1 47.5 15.5 68.9 18.5 7.56 各层位移(相对地面的楼层位移)(MM)从一层到6层) 35.1 66.2 81.2 138.6 153.3 156.2

真实反映地震作用的频谱、峰值、持时等。真实反映结构的弹塑性和各界振型贡献。

介绍了运用midas Building 程序对某超高层框筒结构进行动力弹塑性分析，总结了midas Building 程序进行弹塑性分析的 主要技术参数。通过与弹性分析进行对比，说明弹塑性分析更能反映实际情况，能对结构的抗震性能给出更合理全面的评价，并 对工程设计给出指

安联大厦是采用钢筋混凝土框架—核心筒结构形式的高层写字楼。为达到环保、健康的设计目的，建筑师给大厦设计了一个“呼吸”系统—通过东西、南北错开设置的空中花园和中部入口大堂直通屋面的中庭空间，实现了整个大楼的自然通风从而成为一栋节能的生态建筑。为满足建筑要求，楼板开大洞，两个核心筒之间部分楼层连接薄弱。本文采用结构分析软件perform—3D进行了安联大厦的弹塑性时程反应分析和抗震性能评估。研究表明：在罕遇地震作用下，结构的层间位移能够满足规范抗震要求，剪力墙先于框架柱进入非线性阶段，部分楼层在核心筒之间的薄弱连接仅对核心筒附近的框架柱的内力产生影响，但不影响整个结构的协调工作。

ABAQUS广州天建花园罕遇地震弹塑性时程分析报告.pdf 本工程位于广州市天河区珠江新城冼村南侧G1-1、G1-2地块，地面以上由北面2栋47层 的住宅（依次命名为A-1、A-2栋），南面2栋40层的住宅（依次命名为A-3、A-4栋），和东面 1栋38层的酒店及其1栋42层配套公寓组成，设四层地下室。

现行抗震设防的目标是;遭受多遇地震影响时，结构处于弹性工作状态，一般不受损坏（第一水准）。当遭受设防烈度的地震影响时，结构进入弹塑性工作状态，可能损坏，经一般修理仍可继续使用（第二水准），当遭受罕遇地震影响时，结构有较大的弹塑性变形，但不致倒塌或发生危及生命的严重破坏（第三水准）。

本文档为广州国际金融城A塔罕遇地震弹塑性时程分析报告，包括：1 工程概况 2 进行罕遇地震弹塑性时程分析的目的 3 分析方法、分析软件、分析模型及分析步骤 3.1 分析方法 3.2 分析软件 3.3 非线性地震反应分析模型 4 结构抗震性能评价方法 4.1 结构的总体变形 4.2 构件性能目标 5 整体计算结果汇总 6 剪力墙损伤情况 7 外框架梁、柱损伤情况 8 楼板损伤情况 9 加强层伸臂、腰桁架钢材塑性应变情况 10 墙柱首层最大反力 11 罕遇地震弹塑性时程分析结论等。

并行计算系统是进行三维复杂场地地震动场数值模拟的基础。本文作者利用10台微机构建了一套并行计算集群(常称为Beowulf系统),节点微机上运行Windows2000操作系统,采用MPI标准的MPICH1.2.4版本作为并行计算的支撑环境,并以100Mbps高速交换式以太网作为互连网络。利用编制的并行计算程序对该并行计算系统性能进行了测试。结果表明:该系统能够达到非常高的并行加速比和并行效率。该系统将用于三维地震动场数值模拟研究。

静力弹塑性和动力弹塑性分析方法在结构抗震分析中的应用，可供参考。

选择合适的地震动记录是采用弹塑性时程分析预测建筑结构地震响应的基础。列举了现有针对不同分析目的的三种地震动记录选取方法，比较了按不同方法建立的地震动记录选择集的地面运动峰值和反应谱特性，并通过分析两个不同初始周期框架结构的弹塑性地震响应，对不同地震动记录选取方法的分析结果进行了比较。研究结果表明，基于设计反应谱和基于最不利地震动的选取方法均与结构的初始周期相关，当结构在地震作用下刚度退化比较明显时，这些方法有可能难以达到预期的目标;而当地震动强度指标恰当、且选取的地震动记录数量较多时，基于台站和地震信息的选取方法不会造成过大的结构弹塑性地震响应的离散性，同时这种方法不依赖于结构的动力特性，操作简便，适用性强，适于在研究不同结构类型和不同动力特性建筑结构的抗震性能时应用。

基于纤维模型的超高层钢筋混凝土结构弹塑性时程分析

汪大绥-静力弹塑性分析.docx汪大绥-静力弹塑性分析.docx

本资料为基于ABAQUS的悬臂梁的弹塑性弯曲分析，目录： 1. 问题描述 2. 理论分析 3. 有限元分析 3.1 有限元模型 3.2 材料属性定义 3.3 分析步的定义 3.4 载荷施加和边界条件 3.5 网格划分 3.6 结果及分析 4.总结

本资料为静力弹塑性分析及动力弹塑性分析方法在结构抗震分析中的应用，主要内容： 1.进行静力弹塑性和动力弹塑性分析的意义。 2. 静力弹塑性分析与结构抗震性能评估。 3.动力弹塑性分析与结构抗震性能评估。 4.静力弹塑性与动力弹塑性分析的优缺点。

基于纤维模型理论, 利用 PERFORM-3D 软件实现了复杂超高层建筑结构的弹塑性时程分析并进行构件变形性能评估。针对 PERFORM-3D 建立高层结构模型的复杂性, 开发了其前处理程序 ETP, 使之能够方便准确地建立弹塑性模型。分析表明, 基于纤维模型的整体结构弹塑性分析法高效可行, 不但宏观上可得到结构整体响应, 而且微观上可得到构件的内力及变形和纤维的应力及应变。通过工程实例, 得到整体结构响应、构件的变形及结构能量耗散情况, 可用于研究按我国现行规范设计的超高层混凝土结构在罕遇地震作用下的非线性变形及受力特点。

地震作用是建筑结构可能遭遇的最主要灾害作用之一。几十年来，人们积累了大量的实测地震资料，这些资料多以位移、速度或者加速度时程的形式体现。与此相对应，时程分析方法也被认为是最直接的一种计算建筑结构地震响应的方法。但是，由于地震作用随机性导致计算结果的不确定性，弹性时程分析方法只是结构设计的一种辅助计算方法；虽然如此，抗震规范为了增强重要结构的抗震安全性，还是将弹性时程分析方法规定为常遇地震作用下振型分解反应谱法的一种补充计算方法；尤其是考虑了结构的弹塑性性能后，弹塑性时程分析方法更是被普遍认为是一种仿真的罕遇地震作用响应计算方法。

长沙远大天空城市主楼高度 838m（结构高度 727.2m），采用密柱深梁框架构成的束筒结构体系，主体结构采用纯钢结构。为了研究结构在罕遇地震作用下的变形形态、构件塑性及损伤情况以及整体结构的弹塑性行为，寻找结构的薄弱层或薄弱部位，从而对其抗震性能进行评价，采用 ABAQUS 软件对主楼结构进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。分析结果表明，罕遇地震下结构层间位移角满足要求；主要构件基本保持弹性工作状态，满足预定的抗震性能目标要求；整体结构基本处于弹性状态，满足规范的要求，表现出良好的抗震性能。

总结分析国内外地震波研究成果，结合中国相关规范，提出地震波选取原则：根据结构动力特性、反应谱曲线初选地震波，对结构进行弹性时程分析；然后对其分析结果依据振型分解反应谱法基底剪力的“下限”要求以及波的离散性筛选地震波，确定动力弹塑性时程分析的地震波；最后对弹塑性分析计算过程及结果进行分析判断，确保分析结果真实可靠 ．理论分析和具体工程实例表明，利用这一原则选取地震波，概念比较清晰，实施相对简单，有利于在结构动力弹塑性分析过程中迅速选择合适的地震波．

为提高ABAQUS在超高层建筑动力弹塑性模拟方面的适用性问题,提高ABAQUS的建模、计算效率及应用的灵活性,基于塑性损伤力学理论独立开发了适用于混凝土梁柱纤维模型的混凝土一维拉压循环加载材料模型。

现有的高层建筑结构罕遇地震分析方法可以归结为两大类，弹塑性动力时程分析方法和静力弹塑性分析方法。这两类方法各有其优点和不足。将动力和静力弹塑性分析方法结合起来，发挥各自的优势是改进高层建筑结构罕遇地震分析方法的一种思路。本文提出了一种可以应用于高阶振型和扭转效应不可忽略的高层钢结构罕遇地震分析方法———静动力综合法。该方法结合了动力弹塑性时程分析、高层建筑结构等效弹塑性层模型和静力推覆分析方法的优点。通过算例分析验证了静动力综合法的合理性和适用性，以及静力弹塑性分析方法在三维非对称结构中应用的可行性。

应我国高层、超高层建筑发展需要，我们对建筑结构弹塑性动力反应分析软件进行了探索研究，在“高层建筑结构空间有限元分析与设计软件/CDEF”的基础上，开发了一套简单实用的建筑结构弹塑性动力、静力分析软件FGHC。