作者：曾明
出版社：中国铁道出版社
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PERFORM-3D基本操作与实例试读：
前言
PERFORM-3D（Nonlinear Analysis and Performance Assessment for 3DStructure）三维结构非线性分析与性能评估软件，其前身为Drain-2DX和Drain-3DX，由美国加州大学伯克利分校的Powell教授开发，是一款用于抗震设计的非线性计算软件。
笔者系一名北京工业大学建筑工程学院研究生，研究课题为钢框架-核心筒结构体系减震控制。研二下学期开始接触课题，本想使用ABAQUS作结构分析，但ABAQUS分析大型结构的前后处理比较困难，因此放弃而尝试改用PERFORM-3D进行分析。经查阅发现，目前国内尚无PERFORM-3D的中文教程，于是决心编写一本中文教程，希望能够帮助一些读者入门学习PERFORM-3D。本书主要依据当前最新版本Version5的软件编写。
本书分为4篇，共13章，是一本PERFORM-3D的入门教程，主要内容包括：概述篇介绍软件的基础知识、用户界面、文件和文件夹；建模篇介绍软件的建模功能，有定义节点和框架、定义组件属性、定义单元、辅助定义以及荷载工况和施加；分析篇介绍软件的常用分析功能，结果显示和输出；实例篇介绍软件分析钢框架和剪力墙两个实例。
本书在编写过程中得到了北京建筑工程学院结构专业刘博文和北京工业大学建筑工程学院赵堃宇的鼓励和帮助，特此致谢！在编写过程中，还得到了导师赵均教授和北京奇太振控科技发展有限公司董事长陈永祁先生的悉心指导，在此深表感谢！另外在编辑校对过程中，中国铁道出版社的策划编辑陈小刚为本书的编辑出版也花费了不少心思，在此表示感谢！
由于笔者水平有限，书中错误或疏漏在所难免，敬请广大读者批评指正！编 者2013年2月于北京工业大学第1篇基础篇第1章PERFORM-3D基础知识
PERFORM-3D具有强大的非线性分析能力，但并不表示程序可以进行所有的非线性分析。若我们并不清楚结构在强震作用下进入非弹性阶段后将会怎样，则PERFORM-3D将会帮助我们发现结构在强震作用下的薄弱环节，并指导我们改进设计。但PERFORM-3D无法精确地按照工程师期望的那样进行分析，因为它是基于位移设计理论和性能设计理论的工具而已，它不能替代工程师进行工程设计，而只能辅助设计决策。1.1 建模功能
1.单元
PERFORM-3D有以下几种单元：
①梁、柱和支撑的框架单元；②剪力墙单元；③楼板单元；④黏滞类型的（只有轴向刚度）杆单元；⑤屈曲约束支撑；⑥缝单元；⑦橡胶型和摩擦摆隔震单元；⑧力和位移比非线性关系的液体阻尼器；⑨模拟梁柱结点剪切变形的连接板区域；⑩只有剪切强度和刚度的填充板。
另外，还有黏滞类型的变形监测单元。这些单元没有刚度，用来计算变形，可得到变形的需求能力比。
2.组件
在PERFORM-3D中，大部分单元由一些组件构成。例如，梁单元可能由图1.1中表格的一些组件构成。图1.1 组件Component
3.滞回曲线
非弹性组件的滞回曲线可以考虑刚度退化，画出单元期望的滞回曲线形状，如图1.2所示。图1.2 组件的滞回曲线
4.变形能力（图1.3）
非弹性组件可以定义变形能力来计算变形需求能力比。最多可定义变形能力的5个性能水平。图1.3 组件的变形能力
5.需求能力比
PERFORM-3D包括大量的组件，有非弹性的，也有弹性的。非弹性组件计算变形需求能力比，用来检查结构是否有足够的延性。弹性组件计算强度需求能力比，用来检查结构是否有足够的强度。
6.极限状态
图1.4显示了剪力墙中混凝土受拉应变的需求能力比。每个极限状态有一个使用比，即组件最大的需求能力比。为了使结构满足性能需求，极限状态的使用比不能超过1.0。图1.4 极限状态
7.框架结构
简单框架结构由梁单元和柱单元构成。如图1.5所示。梁单元和柱单元又由不同的组件构成，这些组件可以是弹性，也可以是非弹性的。对于这种结构，可以考虑P-Δ效应，也可以忽略。图1.5 框架结构
8.剪力墙结构
剪力墙使用墙板单元来模拟。如图1.6所示，复杂剪力墙核心筒由板单元构成。墙单元具有受弯或受剪的非弹性行为。连梁一般采用受弯或受剪作用都表现非弹性行为的梁单元来模拟。
9.复杂结构
PERFORM-3D也可以分析大型的复杂结构，如图1.7所示。图1.6 剪力墙结构图1.7 复杂结构1.2 分析功能
1.分析类型
PERFORM-3D可以运行的分析类型有：①模态分析，得出周期和有效质量参与系数；②重力荷载分析；③静态Pushover分析；④地震运动反应时程分析；⑤动力荷载反应时程；⑥（有限制的）反应谱分析。
即使当P-Δ效应引起结构不稳定，非弹性组件有负刚度时，非线性分析方法也是十分可靠的。
2.分析顺序
最通用的分析顺序是：①施加重力荷载；②运行一个或多个静态Pushover分析，保持重力荷载不变；③运行一个或多个地震反应时程分析，保持重力荷载不变。这是标准顺序。也可以采用通用顺序，例如，循环Pushover：①施加重力荷载；②施加指定的正向侧移的Pushover荷载；③施加指定的负向侧移的Pushover荷载，逐渐增加每个方向的侧移。
3.分析工况
一个分析工况由标准或通用分析顺序的一系列分析构成。对于每个分析工况，以下结构属性可能会改变：①质量分布和大小，这可能影响静力Pushover分析和动力时程分析；②动力反应时程分析的阻尼量和类型；③（某个极限的）结构组件的强度和刚度。因此，不用建立新的分析模型就能改变结构的属性。
4.处理分析结果和理解结构行为的工具
下面一些工具可用来评价结构的行为，并检查分析是否合理。
①侧移形状：对于Pushover分析和动力反应，可以动态显示，如图1.8所示。
②时程曲线：进行地震时程分析时，有一些反应，包括节点加速度、单元和组件的力与变形关系曲线，剖切整个或部分结构的结构截面力，如图1.9所示。梁、柱和剪力墙的弯矩和剪力图，如图1.10所示。图1.8 侧移形状图1.9 节点时程曲线
③能量平衡图：显示应变能、动能、非弹性能和阻尼耗能，包括内部和外部功的对比，提供分析数值精确度的指示。
5.性能评价工具
只有显示的分析结果能够帮助工程师进行设计决策才是有用的。PERFORM-3D包含了结构性能评价的有用工具，工程师可以借助这些工具进行设计决策。
①Pushover分析目标位移计算使用了规范ASCE41和ATC440中的一些方法，如荷载工况的使用比。图1.11为Pushover目标位移曲线。图1.10 结构耗能图图1.11 Pushover目标位移曲线
②当Pushover分析或时程分析中的侧移增加时，极限状态的使用比也逐渐增加。使用比显示了用户选择的极限状态组的使用比的变化情况，如图1.12所示。
③荷载组合使用比包络图如图1.13所示。一般运行多个（一般7个或更多）地震反应时程分析，根据使用比的平均值来评估性能。
④需求能力比染色侧移形状如图1.14所示，它可以辨别组件严重变形的部位。图1.12 使用比曲线图1.13 荷载组合和包络图
⑤分析结果的处理。
PERFORM-3D分析结果被保存在一些文件中，每个文件包括一些特定类型的结果（例如，节点位移）。
若PERFORM-3D中的性能评价工具无法满足需求，则可以找到这些结果文件，按所选择的方法处理这些结果数据。
当然，可以使用任意的编程语言编写程序来处理结果数据。图1.14 需求能力比染色侧移形状1.3 运行环境
1.操作系统
Microsoft Windows XP、Windows Vista或Windows 7，32位或64位版本均可。
2.内存
最小：XP操作系统至少2GB；Vista/Windows7操作系统至少4GB。
建议：32位操作系统采用4GB内存，64位操作系统采用8GB或者更大内存。求解速度随着内存增加而增加。
3.硬盘
安装PERFORM-3D需要6GB硬盘空间。
建议：500GB或者更大硬盘（7200rpmSATA），因为程序需要足够的空间来运行和保存模型文件和分析结果。
4.显卡
最小：支持1024×768像素16位（GDI+）图形模式。
建议：NVIDIAGPU独立显卡，显卡内存512MB或更大，DirectX图形模式，显卡必须兼容DirectX9.0c。第2章PERFORM-3D用户界面
PERFORM-3D是传统的Windows程序，通过点击界面图标或从下拉表单中选择项目进行相关操作。移动鼠标到界面的模块，模块标签的功能描述立即显示。窗口的文字介绍了每个标签的用法。当前版本的PERFORM-3D不提供带目录的帮助文档。这章将简单介绍PERFORM-3D的用户界面以及一些基本知识。2.1 用户界面
图2.1显示了用户界面的构成。图2.1 用户界面主要构成
图2.2定义线性和非线性组件的界面布局，界面上有图形介绍所需的属性。图2.2 组件属性界面主要构成2.2 菜单命令
使用应用软件界面所示的菜单命令可以建立所需的分析模型。每种结构文件必须定义唯一的名称。
启动PERFORM-3D软件之后，可以使用以下的菜单命令来新建一个结构文件或打开已有结构文件。
菜单命令有：新建一个结构文件；打开已有结构文件；保存对当前结构作出的改变；另存当前结构为新结构；删除当前结构。2.3 模块和任务栏
PERFORM-3D有两个模块，即建模阶段和分析阶段。这两个模块在任务栏上的键如下：Modeling phase（建立结构模型）；Analysis phase（计算和处理分析结果）。
每种阶段下有一些模块，将在后面的章节作介绍。2.3.1 建模阶段的模块
建模阶段的模块如表2.1所示。表2.1 建模阶段的模块2.3.2 分析模块任务栏
分析模块任务栏可以分成结构分析任务栏、性能评价任务栏和需求能力任务栏。如表2.2所示。结构分析任务栏是定义荷载工况和运行分析的。性能评价任务栏允许检查和判断分析模型性能。需求能力任务栏允许计算需求能力比，因此对结构的性能作出判断。表2.2 分析模块任务栏2.4 视图方向和透视
控制视图方向的工具在窗口界面的左下角，如图2.3所示。
可以从平面的任何方向看结构，在任何垂直角度直接从上向下。为了改变视图方向，可以点击图形来设定坐标轴方向，或在文本窗口输入角度。为了改变透视的视图距离，可以选择一个标准距离或在文本窗口输入一个距离。点击OK来改变视图，或点击Cancel停留在当前视图。
基本视图是默认的。若改变了视图方向，则点击“Basic”来返回这个视图，点击Plan、“H1”或“H2”键来显示所需视图。可以通过选择视图距离来增加视角到平面或者立面视图的距离。图2.3 方向和透视视图工具2.5 报 告2.5.1 打印报告
在建模和分析模块，可以打印报告。每种模块都有打印标识。对于大多数建模阶段的模块，打印标签靠近模块的右端；对于少数模块，在表格的主体部分处。为了得到当前表格的打印副本，可点击printer。若这个键不能使用，则不能打印数据，表示当前任务没有完成或当前数据没有打印选项。
可以通过File菜单中的Printer set-up表格来改变纸张尺寸和方向。2.5.2 保存结果到文件
在分析模块，可以保存多个模块的结果到文件中。例如，可以保存时程曲线模块的时程曲线结果，也可以保存使用比模块的使用比，然后可以采用电子表格处理这些结果。
在模块右端有个文件按钮。若保存可以使用（变成绿色），则可以保存当前结果到文件。需要输入文件名称或其他信息。2.5.3 ECHO文件
若打印包括整个建模模块的报告（这个报告介绍整个分析模型），则必须先打开每个建模阶段的模块，再打印每个模块的一个或多个报告，然后组织这些单个部分形成一个报告。这样生成报告具有较大的弹性，但它会花费大量时间。因此，为了方便可以使用PERFORM-3D的ECHO文件。
当PERFORM-3D处理结构数据，程序会在ECHO文件中写入数据。打印报告对结构和加载提供了整个描述。根据需要，可以检查文件（如采用Windows WordPad utility程序），也可以打印出来。2.5.4 打开结果文件
PERFORM-3D提供了处理分析结果的不同工具，分析结果被保存为text文件，便于采用电子表格处理。2.6 建模分析实例2.6.1 启动PERFORM-3D
问题描述：简单平面框架，基本信息如图2.4所示。
首先，启动PERFORM-3D，可以双击该软件的桌面图标，或者从开始菜单中点击该软件启动。
启动之后出现的界面如图2.5所示。
点击Start a new structure（新建结构文件）。出现如图2.6所示的界面，输入结构名称（Structure Name）：FRAME。选择力的单位（Force Unit）：N，长度单位（Length Unit）：m。确定了力和长度单2位，程序将会自动换算重力加速度，本例为9.8145N/m。
注意：除了组件属性以外，这个单位制还应用于所有构件。根据需要，可以在不同的组件属性中使用不同的单位制。图2.4 简单平面框架图2.5 PERFORM-3D开始界面
结构文件将会存放在软件默认的地方，这在第3章将有详细介绍。
注意，一旦定义好这些内容之后，后期将无法对这些进行变更。
接着，还必须对结构进行描述（Structure Description），可以采用便于理解的英文进行描述，本结构是简单的平面框架，故可输入：simpleplaneframe。定义最小节点间距，默认为0.15m。自动保存文件的时间间隔可以选择每隔5/10/20/40min保存一次，或者Never（不自动保存）。选择出错后是否报错（Beep with error message）。如需要，这些定义后期仍然可以修改。图2.6 定义新建结构的整体信息
定义好之后，点击界面右上角的OK。会出现如图2.7所示的界面。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]