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编写：陈学伟 dinochen1983, OpenSEES实例教程
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实例 27 型钢混凝土柱的静力弹塑性分析
1) 问题描述： 本例对一型钢混凝土柱进行静力弹塑性试验分析（PUSHOVER分析）。采用重力荷载加
载后再施加位移加载。型钢混凝土柱的尺寸如下图所示。柱高度为 3000mm。施加恒定的重力荷载（点荷载重力方向 10000KN），钢筋材料的屈服强度为 400MPa，型钢材料的屈服强度为 360MPa，混凝土材料内核与保护层均采用普通的混凝土材料 CONCRETE 01 模型， fc1=-27.5MPa, fc2=-10.0 MPa, ec1=-0.002,ec2=-0.0035。
注意：本例主要介绍如何建立多种材料（本例有 4 种材料）的型钢混凝土组合截面，进行弹塑性分析，在这个过程中借助了笔者开发的小程序 DINOSEC，在 dinochen.com 可以下载。通过 DINOSEC 进行复杂的组合截面建模。本例的 4 种材料分别是保护层的混凝土，核心区的混凝土、钢筋材料、型钢混凝土材料。通过上述方法可以通过 OPENSEES分析：矩型或圆形钢骨柱及钢骨柱。 2) ETABS模型建模 （1） 建立 ETABS模型，模型非常简单就是一个竖向的柱子，建立梁柱混凝土截面及建立
几何模型，如下图所示。梁柱截面定义时，名字的首字母应为“N”，本实例采用基于柔度法（力法）的纤维单元。
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图 ETABS建立组合梁的几何模型
图 ETABS截面定义窗口，单元名是 NC800X800
注意：在 ETABS 中只建立普通的柱子即可，不需要定义复杂的截面，复杂的截面在 DINOSEC小程序中去设置。
（2） 选柱顶节点，点击菜单【Assign】→【Joint/Point loads】→【Force…】，
施加单位荷载-1000kN，重力方向。如下图所示。
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图 ETABS荷载定义 注意：荷载工况 DEAD的自重系数需要调为 0，不考虑结构自重。
（3） 完成上述步骤后建立完 ETABS模型。
注意：实例的 ETABS模型存放在光盘“/EXAM27/ETABS/”目录。
3) DINOSEC程序中操作
（1） 打开 DINOSEC程序，如下图所示，初始界面即可定义复杂截面：
（2） 本算例需要建立的模型是型钢混凝土截面，（钢骨梁柱截面），截面类型选取【矩形
钢骨柱 2】，输入尺寸 800x800，再输入保护层厚度 40，定义截面划分参数 12x12
点击【输入截面】按钮，即可得到截面的实时输入的形状及纤维单元划分。
（3） 再输入内置钢骨及钢筋的相关参数，如下图所示。即最终得到需要输入的形状。
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图 钢筋与型钢的布置与划分
（4） 点击【混凝土本构】，在相对应的材料设置 OPENSEES 的材料编号，以便与以后的
OPENSEES计算对应。初始设置为：
保护层混凝土，对应材料#1，颜色为黄色
非保护层混凝土，对应材料#2，颜色为浅蓝色
钢筋，对应材料#4，颜色为红色
型钢，对应材料#5，颜色为蓝色
注意：不需要在 DINOSEC进行材料强度的设置，OPENSEES的材料参数最终通过修改命令流去实现
（5） 点击【OPENSEES截面代码】，点击【生成 OPENSEES命令流】即可得到 OPENSEES
的关于这个截面的 TCL命令流，往后的操作就是把这个组合截面的命令流，代替原
来普通混凝土截面的命令流。
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4) OPENSEES建模 （1） 打开 ETABS 模型，导出 S2K 文件。打开 ETO 程序，导入 S2K 文件，得到转化的
OPENSEES 模型，如下图所示。再打开转化 TCL 按扭，将模型转化成 OPENSEES代码，如下图所示。将代码另存为“Exam27.tcl”。
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ETO导入 ETABS模型
（2） 在 ETO程序中，点击按钮 ，可以设置结构分析工况。本实例选择 OPENSEES
的分析类型为【Gravity+PushOver】，即先重力（分 10步施加）后位移加载模式。控制点为 2号点，位移自由度为 1，水平位移推动每一步为 0.4mm，共进行 100步计算。
分析设置窗口
（3） 点击按钮 ，可设置 OPENSEES的输出命令（Recorder），勾选如下图所示，需要
输出位移结果
ETO结果输出定义窗口
（4） 点击按钮 生成 OPENSEES命令流。
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（5） 以下将对 OPENSEES命令流进行解释并修改，最后提交运算。 5) OPENSEES命令流解读 （1） 从 ETO程序中生成的 OPENSEES的命令流如下所示。 wipe puts "System" model basic -ndm 3 -ndf 6 puts "restraint" node 1 0.000E+000 1.800E+004 0.000E+000 node 2 0.000E+000 1.800E+004 3.000E+003 puts "rigidDiaphragm" puts "node" fix 1 1 1 1 1 1 1; fix 2 0 1 0 1 0 1; puts "Equal DOF" puts "material" uniaxialMaterial Elastic 1 1.999E+005 uniaxialMaterial Elastic 2 2.482E+004 uniaxialMaterial Elastic 3 1.999E+005 ##NC800X800 section Fiber 1 { fiber -3.200E+002 -3.200E+002 2.560E+004 2 fiber -1.600E+002 -3.200E+002 2.560E+004 2 fiber 0.000E+000 -3.200E+002 2.560E+004 2 ………………………… } puts "transformation" geomTransf Linear 1 1.000 0.000 0.000 puts "element" element nonlinearBeamColumn 1 1 2 4 1 1 puts "shell element" puts "SOLID element" puts "recorder" recorder Node -file node2.out -time -node 2 -dof 1 2 3 disp puts "gravity" ## Load Case = DEAD pattern Plain 1 Linear { load 2 0.000E+000 0.000E+000 -1.000E+007 0.000E+000 0.000E+000 0.000E+000 }
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puts "analysis" constraints Plain numberer Plain system BandGeneral test EnergyIncr 1.0e-6 200 algorithm Newton integrator LoadControl 0.1 analysis Static analyze 10 loadConst 0.0 puts "pushover" ## Load Case = P1 pattern Plain 3 Linear { load 2 1.000E+003 0.000E+000 0.000E+000 0.000E+000 0.000E+000 0.000E+000 } puts "analysis" constraints Plain numberer Plain system BandGeneral test EnergyIncr 1.0e-6 200 algorithm Newton integrator DisplacementControl 2 1 0.4 analysis Static analyze 100 （2） ETO生成的命令流中大部分不需要修改，主要是修改弹性材料变成弹塑性材料及修
改普通混凝土柱的截面变成复杂的型钢混凝土柱的截面。 自动生成的代码
uniaxialMaterial Elastic 1 1.999E+005 uniaxialMaterial Elastic 2 2.482E+004 uniaxialMaterial Elastic 3 1.999E+005
修改成以下的材料代码： uniaxialMaterial Concrete01 2 -27.5 -0.002 -10 -0.0035 uniaxialMaterial Concrete01 1 -27.5 -0.002 -10 -0.0035 uniaxialMaterial Steel01 4 400 205000 0.001 uniaxialMaterial Steel01 5 360 205000 0.001
（3） 将 DINOSEC生成的截面命令流 SECTION 01 代替原来的 SECTION 01,
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自动生成的代码
##NC800X800 section Fiber 1 { fiber -3.200E+002 -3.200E+002 2.560E+004 2 fiber -1.600E+002 -3.200E+002 2.560E+004 2 fiber 0.000E+000 -3.200E+002 2.560E+004 2 ………………………… }
DINOSEC生成的纤维截面代码： section Fiber 1 { fiber -3.2400E+002 -3.2400E+002 5.1840E+003 2 …………. fiber 3.2400E+002 3.2400E+002 5.1840E+003 2 fiber -3.6667E+002 -3.8000E+002 2.6667E+003 1 …………. fiber 3.8000E+002 3.3000E+002 2.4000E+003 1 fiber -1.2000E+002 -3.6000E+002 4.9063E+002 4 …………. fiber -3.6000E+002 3.6000E+002 4.9063E+002 4 fiber -1.8333E+002 -1.8500E+002 1.0000E+003 5 …………. fiber 0.0000E+000 1.4167E+002 1.7000E+003 5 }
（4） 分析结果记录的命令流如下所示。只记录节点 2的变形过程： puts "recorder" recorder Node -file node2.out -time -node 2 -dof 1 2 3 disp 该命令流用于输出位移，即 UX,UY,UZ的位移值。
（5） 其它需要注意的细节： 由于只对结构进行平面受力分析，因此，对 2 号点的自由度进行平面外的约束，提高收敛性。 fix 2 0 1 0 1 0 1 ; 以上表明，对于 2号节点约束平面外 Y方向的平动，且对应的转动分量。 在进行完重力分析以后，需要把重力荷载恒定，需要在重力分析后加上一句
loadConst 0.0
（6） 综上所述，完成命令流修改后，可以提交进行分析，修改后的文件可查看
“Exam27\OpenSEES\Exam27.tcl”。
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6) OPENSEES分析及分析结果
（1） 打开 OpenSEES程序，输入命令： source exam27.tcl
（2） 运行后，提取节点 2的变形与内力结果如下图所示：
型钢混凝土柱的 PUSHOVER结果 经分析可知，柱子的极限承载力为 1078kN，换算成弯矩M=3.0*1078=3234 kNm 以下是 DINOSEC 的 PMM 分折结果，X 方向的极限变矩约为 3800kNm（轴力为10000kN时）（DINOSEC与 OPENSEES的混凝土本构略有不同）。以作参考。
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7) 知识点回顾： （1） OPENSEES对型钢混凝土柱的建模与分析 （2） 借用 DINOSEC对型钢混凝土柱进行建模。 （3） 对比 PUSHOVER分析的及 PMM曲线的数据。
