【PBSD】【PERFORM-3D】性能前馈集中塑性铰单元的定义、优势与测试

“性能前馈集中塑性铰单元PFLPH”

结构抗震性能设计软件PBSD（【PBSD】超限工程的免费好助手：结构抗震性能设计软件PBSD功能简介）具有地震动工具箱（【PBSD】V1.0.5.0版正式发布：免费地震动工具箱之教学视频）、一键弹塑性分析接口（【PBSD】【PERFORM-3D】YTP导模工具使用手册）、一键弹塑性报告（【PBSD】一键弹塑性报告功能演示）等众多实用功能。

近期PBSD的YTP接口引入大量更新，包括加入梁构件集中塑性铰单元。本单元目前可支持20+种截面类型的单元转换（【PBSD】【Perform3D】论如何利用12条纤维准确模拟梁力学性能）。PBSD中的集中塑性铰单元基于《广东省性能规程》（【广东省性能设计规程】性能设计基本方法与PBSD的实现）的构件性能指标定义本构模型，因此称其为性能前馈集中塑性铰单元（Performance Feedforward Lumped Plastic Hinge, PFLPH）。

与纤维模型相比，PFLPH可模拟梁构件的强度退化机制，并无需依赖于塑性铰长度的取值；与常规的集中塑性铰单元相比，PFLPH可同时反应剪跨及配箍对构件力学性能的影响，更好地模拟小剪跨比构件的力学性能。

PFLPH定义方法

性能指标限值

华南理工大学高层建筑结构研究所（TBSRI）通过103个RC梁、456个RC柱及236个RC墙试验数据提出构件变形指标，并设计9个RC梁、11个RC柱、20个一字RC墙、12个L型RC墙、12个T型墙及20个工字RC墙拟静力试验验证变形指标的合理性。该变形指标限值已纳入《广东省性能规程》。其中，RC梁的破坏形态划分标准及变形指标限值如下表所示。

除RC构件性能指标外，TBSRI还提出SRC构件性能指标。PBSD将根据RC及SRC构件变形指标限值定义PFLPH本构模型。对于钢构件，则依据ASCE41定义本构模型。

PFLPH本构定义

如图1所示，PFLPH为刚塑性铰，具有5个关键骨架点。My及Mu根据截面分析（【PBSD】【Perform3D】论如何利用12条纤维准确模拟梁力学性能，【PBSD】纤维剖分与PMM截面分析文档——柱单元篇）确定，分别对应抗弯不屈服及1.1倍抗弯极限（【广东省性能设计规程】性能设计基本方法与PBSD的实现）。U、L、R点对应的变形值分别为轻度损坏、中度损坏及严重损坏性能点对应的塑性变形值。

图1 性能类型及PFLPH骨架曲线示意图

PBSD默认梁集中塑性铰的残余力系数为0.5，用户可在配置文件P3D_Setting.ini中修改，配置项为BeamMomentHingeFrRatio。配置项修改后，PBSD将在LR点连线（图中虚线）处插值获得残余力骨架点。

性能指标计算依赖于构件的弯剪比m及剪跨比lamda，因此需计算构件的剪跨长度。PBSD根据D+0.5L+aE的方式估算大震下的构件剪跨，用于PFLPH本构定义。D、L、E分别为恒载、活载、小震下的构件内力，a为地震力系数，根据配置文件P3D_Setting.ini中的配置项shear_span_Ratio_E确定（默认为6）。

PFLPH的创建条件

用户勾选“集中塑性铰”选项后，当构件位于刚性隔板内且不为转换构件，则可转化为PFLPH单元。

PFLPH优势与测试

模拟构件强度退化

对于轴压较小的RC构件（SRC构件），由于钢筋（型钢）硬化系数的存在，纤维单元（【OpenSees】浅析两类纤维单元：位移元与应力元，【OpenSees】浅析纤维单元的数值积分方法）常呈现硬化趋势，而无法模拟构件的强度退化机制。特别对于对称配筋的RC构件（SRC构件），塑性发展后期基本表现为拉区、压区钢筋（型钢）相互平衡的受力特性，具有极好的耗能性能，难以反应构件真实力学性能。构件性能指标来源于庞大的试验数据，PFLPH根据性能指标确定本构模型，可模拟构件的强度退化机制（如图2所示）。

图2 PFLPH与纤维单元滞回曲线对比

反应剪跨对构件力学性能的影响

如图3所示，红框中两个梁构件虽截面尺寸及配筋均相同，但由于构件刚度及边界条件的不同（直观表现为剪跨长度不同），应具备不同的力学特性。PFLPH与传统塑性铰单元相比，可反应剪跨对构件力学性能的影响。

图3 PFLPH反应不同剪跨构件力学性能

反应配箍对构件力学性能的影响

如图4所示，红框中两个梁构件纵筋配筋率相同，且具有相同的刚度和边界条件，但配箍率（0.6%与0.8%）不同，也应具备不同的力学特性。PFLPH与传统塑性铰单元相比，可反应配箍率对构件力学性能的影响。

图4 PFLPH反应配箍对构件力学性能

反应材料类型对构件滞回特性的影响

钢构件与RC构件相比具有不同的滞回特性。如图5所示，PFLPH可表达不同材料类型构件的滞回特性。

图5 PFLPH不同材料类型滞回曲线对比

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