STKO助力OpenSEES系列：平面多层多跨混凝土框架静力循环pushover分析

划重点：通过阅读本文，可以领略STKO快速实现Opensees几何模型的搭建。通过STKO根据规范内嵌的约束混凝土模型自动生成约束混凝土本构，按照和abaqus一样的操作指定好材料，截面，单元属性，赋予给几何模型形成数值模型，无需修改和处理任何tcl 代码，提交计算，直接进入友好的后处理模块，检查变形，应力云图，动画，提取各种力位移曲线，也可查看单元积分点处纤维的应力和应变。如果你想进一步了解建模细节，可见（STKO助力OpenSees案例3：三维【视频】 - 技术邻）。

（本文由心尘轩博士执笔，就读于香港理工大学，如果各位对STKO 有兴趣，可加入群752746704，相互交流学习）

前言：

作者曾执笔《无需TCL编程能力，STKO带你轻松玩转OpenSEES》，《从编程角度阐述有限元最佳入门方法：以Abaqus 和OpenSees 为例》以及《STKO助力OpenSEES系列：自复位支撑钢框架静力循环pushover 分析》，如果有兴趣可以点击下面连接查看

(无需TCL编程能力，STKO带你轻松玩转Open －技术邻)，（从编程角度阐述有限元最佳入门方法：以Abaqus －技术邻），

（STKO助力OpenSEES系列：自复位支撑框架－技术邻）。

作者在上述文章中详细论述了OpenSees混合编程（Tcl+CPP）的本质，以及对于CAE 使用者友好的GUI界面的重要性和在STKO中如何利用零长度单元实现铰接以及旗帜型滞回规则支撑的实现，今天的推文将以一个混凝土框架的具体的案例阐述下STKO在分析混凝土结构领域的便利性。

正文：案例信息

图1案例信息

案例信息如上图所示，在XY平面上建立钢筋混凝土框架结构，在X方向为四跨，结构有6层，层高为3m,跨度也是3m,为简化建模时间，取所有楼层梁柱截面为一致，均为400*400mm（注意，这是个不合理的结构设计，这里仅仅论述模型操作，这样的有限元模型因为设计的不合理，会在某些楼层形成软弱层，对收敛性不利，在实际中，我们一定要按照规范或者自己所提的设计方法，进行合理设计梁柱截面）。非约束混凝土材料用concrete01实现（-30，-0.002，-10，-0.0033）。结构的分析分为两步，第一：重力分析；第二步：在此基础上，做倒三角的循环pushover 分析。

如果通过编写Tcl命令流，我们很容易在三维纤维截面的划分，梁柱单元的geomtransf的方向，甚至单元编号上犯错，当这些因无意识犯的错误，因为没有可视化的提示，通过逐行校核代码是很困难了，而STKO则轻松的解决了上述问题，通过可视化很容易帮助我们看单元有没有赋予错，单元的geomtranf有没放放置错，如果放错，可以通过建立local axis 坐标，很快进行更正，通过和abaqus 建模一致的方式迅速搭建模型，如下图所示，这个过程可以规避掉很多因不细心导致模型不能算的局限。

图2 建模过程

上述建模过程和结果输出中几处要点：

约束混凝土本构的自动生成：

STKO 根据现有的几种成熟的约束混凝土模型，通过使用户提供的箍筋信息，包括直径，数目，间距等，自动计算约束混凝土区域的本构模型。从而避免了以往要对fibre 截面不同约束混凝土区域赋予不同的混凝土模型。

图3 约束混凝土本构

纤维截面抗剪和抗扭刚度的在STKO中的实现：

OpenSEES默认的纤维单元是不考虑剪切变形的，因为OS中的纤维单元相当于是一个伯努利梁，也即抗剪刚度是无穷大，这对一般的细长梁分析是没有问题的，但在有些问题中，比如深梁，或者较粗柱子，或者剪力墙中，我们就需考虑剪切刚度，因为在这些分析中剪切变形的影响是不可忽视的。在Tcl 命令流中，是通过section aggregator 来进行截面刚度的组装，当然这在STKO中是一致的，我们首先创立对应的抗剪刚度和抗扭刚度的标准弹性材料，最后通过aggregator option 组装。如下图。

图4 纤维截面抗剪抗扭刚度组装

Cyclic荷载的创建

在OpenSEES分析中，我们通常施加侧向力的分布模式，然后通过位移控制来施加静力循环荷载。在STKO中，循环加载制度通过在definition中通过path施加。如下图所示。

图5 循环荷载时间

结果输出是STKO 的一大亮点，强大的输出库，和abaqus输出设置一致，只需要勾选想要的结构即可。

图6 输出设置

最终，建好模型提交计算后，即可查看计算结果，可以通过友好的GUI查看我们所需要的结果，比如，变形云图，应力应变云图，滞回曲线，轴力云图，弯矩云图，并提取数据。如下图所示，这就大大方便我们在论文中插入我们想要的云图来佐证我们想要表达的观点。

图7 STKO-based OS 的后处理

结语：

对于模型的收敛性的一点建议，一个合理的有限元模型是模型收敛性的前提，所以在遇到收敛性问题，先去思考，自己的模型是不是合理，模型合理后，再去考虑是边界约束，算法，数值不稳定导致的，这是可以选择尝试不同的算法，增加计算量减少步长等方式调试自己的模型，调试模型收敛性的本质是使用者对有限元理论的认识深度。

由上可见，基于STKO的Opensees的使用潜力将被很大程度挖掘，我们将可以轻易使用它的强大的材料库，单元库，算法，以及高效的求解过程，所以，作者也希冀助力STKO 搭载Opensees 能够扩大opensees 在中国的影响的进程。

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