【YTO】YJK to OpenSees：剪力墙结构算例验证

“YTO一键弹塑性：剪力墙结构算例验证”

陈学伟（Dino）博士开发的ETO（ETABS to OpenSees）（【最新ETO】OPENSEES教程程序ETO下载方法）是入门OpenSees的极佳工具。ETO涉及范围极广，适用于结构工程（如多层结构的弹塑性分析等）、桥梁工程（如桥梁影响分析等）及岩土工程（如地基土的模拟等）。但ETO生成的OpenSees模型缺乏配筋信息，因此需要人为介入输入配筋，而在面对高层建筑结构时，由于各构件的配筋大相径庭，使人为输入配筋成为了一项艰巨的工程。

基于此，笔者开发了YTO（YJK to OpenSees）,YTO可根据盈建科（YJK）的配筋结果直接生成OpenSees弹塑性分析模型，实现一键式的高层建筑结构弹塑性分析，极大降低OpenSees的学习成本。近期推文将选用部分典型的高层建筑结构模型，来验证YTO单元转换及分析的准确性，验证算例如下所示：

9层典型框架结构算例验证

【YTO】YJK to OpenSees：框架结构算例验证

20层典型剪力墙结构算例验证
20层典型框架-剪力墙结构算例验证
带刚性隔板的多层铰接模型算例验证
带非线性剪切本构的剪力墙结构算例验证
20层主次梁转换结构算例验证
超高层钢框架-钢筋混凝土核心筒结构算例验证
带厚板转换的高层结构算例验证

梁柱单元可选择转换为dispBeamColumn（位移元）或forceBeamColumn（应力元）（【OpenSees】浅析两类纤维单元：位移元与应力元）。当选择转化为dispBeamColumn时，YTO将智能对构件进行剖分，端部单元的长度默认取为截面高度的0.5倍。当选择转化为forceBeamColumn时，YTO默认对单元采用Gauss-Radau积分(【OpenSees】浅析纤维单元的数值积分方法），端部积分点的权重默认取为截面高度的0.5倍。

剪力墙单元可选择转换为纤维模型或分层壳模型。（【OpenSees】浅析剪力墙宏观单元：MVLEM，【OpenSees】浅析剪力墙宏观单元：SFI-MVLEM，【OpenSees】浅析剪力墙宏观单元：分层壳单元）。

YTO生成的OpenSees模型已根据YJK的配筋结果对各单元进行纤维划分，核心区混凝土均根据Kent-Park约束混凝土本构来考虑箍筋的套箍作用，每个构件拥有独立的材料本构。

20层典型剪力墙结构简介

20层剪力墙结构模型如图1所示，OpenSees模型采用工具【工具】OSV2.0 [OpenSees可视化工具] 进行可视化。

图1 20层典型剪力墙结构

将20层剪力墙结构的所有梁单元转化为刚度法纤维单元模型（dispBeamColumn）。YTO自动对刚度法纤维模型的各个构件进行剖分，端部单元长度取为构件截面高度的一半。YTO根据YJK的计算配箍为每个构件赋予不同的约束混凝土本构。

图2 位移元纤维单元示意图

将剪力墙单元分别转化为纤维单元模型和分层壳单元，其中分层壳单元可选择性的转化为MITC4单元或NLDKGQ单元（【OpenSees】浅析剪力墙宏观单元：分层壳单元）。NLDKGQ单元与MITC4相比，可更有效地避免剪切自锁效应。对于采用分层壳单元的剪力墙模型，结构共由三部分组成（如图3所示），分别为：位移元纤维单元、分层壳单元及钢筋桁架单元。

图3 分层壳模型的单元组成

离散的钢筋桁架单元用于反应剪力墙边缘构件的配筋情况。对于全长处于边缘构件长度范围内的剪力墙翼缘，其纵向钢筋均弥散于分层壳的钢筋层内，此时则不存在离散钢筋桁架单元。

20层典型剪力墙结构算例验算

荷载转换验证

模态验证

由于剪力墙在层内不剖分，因此如下表所示，采用MITC4分层壳单元的剪力墙模型刚度偏大，周期偏小。

多遇地震下动力时程分析

0.07g人工波下各模型的顶点位移时程曲线如图4所示：

图4 多遇地震下的动力时程分析

罕遇地震下动力时程分析

对OpenSees纤维模型、MITC4分层壳模型、NLDKGQ分层壳模型及Perform-3D模型在0.4g、0.8g和1.2g人工波下进行弹塑性动力时程分析，各模型的顶点位移时程曲线及层间位移角曲线分别如图5及图6所示。

图5 罕遇地震下的顶点位移时程

由于PERFORM-3D的材料本构与OpenSees的材料本构不完全相同，因此顶点位移及层间位移角的分析结果与OpenSees存在一定的差异。

图6 罕遇地震下的最大层间位移角

由图5及图6可知，在层内剪力墙不剖分的情况下，MITC4分层壳模型明显偏刚，在PGA较小时层间位移角已与其他模型存在较大差异。NLDKGQ分层壳模型的层间位移角与OS纤维模型相近，但在1.2g地震波的作用下，纤维模型存在明显的残余变形，且结构底层最大层间位移角明显大于NLDKGQ分层壳模型，即OS纤维模型塑性发展更为明显。

OpenSees模型的分析耗时如下表所示。由表可知，纤维模型分析耗时最短，MITC4分层壳次之，NLDKGQ分层壳模型耗时最长。

剪力墙剖分影响探究

利用YTO对结构底部剪力墙进行剖分，探究单元剖分对剪力墙结构分析结果的影响。结构剖分示意图如图7所示，结构层间位移角如图8所示。

图7 剪力墙剖分示意图

图8可知，在PGA较小时，剖分对MITC4分层壳模型的分析结果已有明显影响，因此采用MITC4分层壳模型时，宜对单元进行剖分。剖分对纤维模型及NLDKGQ分层壳模型的影响随PGA的增大而增大，底部剪力墙的塑性发展程度随剖分数的增加而增大。

图8 剪力墙剖分后层间位移角曲线

将上文各分层壳的层间位移角曲线进行对比可知，根据图7的剪力墙剖分方法，各分层壳模型刚度排序如下：MITC4<剖分的MITC4<NLDKGQ<剖分的NLDKGQ。

图9 各分层壳层间位移角曲线对比

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