【PBSD】性能前馈集中塑性单元PFLPH与纤维单元力学性能对比

“使用普通纤维单元的弹塑性模型难以实现强柱弱梁”

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。前期推送【PBSD】【PERFORM-3D】性能前馈集中塑性铰单元的定义、优势与测试向大家介绍PBSD中性能前馈集中塑性铰单元PFLPH的定义方法及优势，本期推送将从结构层次反应PFLPH与纤维单元的力学性能差异。

带混凝土的纤维截面在受弯时中性轴将发生偏移（即轴向伸长现象），若存在刚性隔板假定则梁将成为压弯构件，抗弯承载力明显提高，与设计假定相违背。为此，PBSD导模时提供“带轴向释放的纤维单元”选项，以释放刚性隔板内梁构件的轴力。PBSD默认完全释放刚性隔板内梁构件的轴力，用户可通过配置文件P3D_Setting.ini配置项beam_axial_stiffness_multiplier修改轴力释放系数（通过修改构件所用弹性截面的截面面积A实现）。

本推送将从静力及动力的角度，浅析PFLPH（【PBSD】【PERFORM-3D】性能前馈集中塑性铰单元的定义、优势与测试）、纤维单元（【Perform3D】位移元的简单证法）、带轴向释放（PR）纤维单元（轴力全释放）的力学性能差异。

图1 PBSD之YTP接口

静力弹塑性分析

以某住宅结构为例，梁单元分别采用PFLPH、纤维单元、带轴向释放（PR）纤维单元进行Pushover分析，目标最大层间位移角为0.04（1/25），结构Pushover曲线及典型梁单元的弯曲转角曲线如图2所示。由图2可知，纤维单元的结构基底剪力最大（38555kN），PR纤维单元其次（32488kN），PFLPH最小（28895kN）。

由于带混凝土的纤维单元存在轴向伸长现象，使刚性隔板内的梁成为压弯构件，抗弯承载力明显提高，与PR纤维单元相比，抗弯承载力由137kN×m上升为284kN×m，提高超2倍，使得结构基底剪力明显提高。由于PFLPH可模拟构件的强度退化机制，而PR纤维单元则呈现明显的强度硬化，因此PFLPH基底剪力小于PR纤维单元。

以往通常采用普通纤维单元进行模拟，大震弹塑性与小震弹性响应的比值约为4-5倍（视塑性发展程度而定）。由上述的比值关系可预知，若采用PR纤维单元或PFLPH，则大震弹塑性与小震弹性响应的比值约为3-4倍。

图2 静力弹塑性分析算例

动力弹塑性分析

梁单元抗弯承载力的提高将明显影响框架柱的力学性能，因此以框架结构为例，分别采用分别采用PFLPH、纤维单元、带轴向释放（PR）纤维单元模拟梁构件，采用PBSD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、【PBSD】人工波生成功能测试 [开源]）生成人工波，进行3倍大震下的动力弹塑性分析。

由图3可知，纤维单元的结构基底剪力最大（5516kN），PR纤维单元其次（4929kN），PFLPH最小（4877kN），与静力弹塑性分析结果一致。纤维单元与PR纤维单元相比，抗弯承载力由358kN×m上升为602kN×m，提高近2倍，与静力弹塑性分析结果一致。

图3 基底剪力时程曲线及典型梁滞回曲线

图4为构件耗能占比时程曲线。由图4可知，采用PR纤维单元及PFLPH的结构梁为主要的耗能构件，而采用纤维单元的结构，由于梁抗弯承载力明显提高，使得柱成为主要的耗能构件，强柱弱梁形同虚设。

图4 构件耗能占比时程曲线

图5为构件性能状态图，图6为柱构件的需求能力比图，图7为梁构件沿楼层的性能状态统计。由图5-图7可知，采用PR纤维单元及PFLPH的结构梁为主要的耗能构件，而采用纤维单元的结构，柱为主要的耗能构件。

图5 构件性能状态图

图6 柱构件需求能力比曲线

图7 梁构件沿楼层性能状态占比

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