基于opensees的钢筋混凝土梁非线性分析

第30卷，第4期2014年12月世界地震工程WOＲLD EAＲTHQUAKE ENGINEEＲING Vol．30，No．4Dec．2014收稿日期：2014－03－16；修订日期：2014－08－21基金项目：河南省科技攻关计划项目（142102310345）；郑州大学研究生教育支持基金项目作者简介：张俊峰（1981－），男，博士，讲师，主要从事钢结构及钢－混凝土组合结构研究.E-mail ：zhangjunfeng@zzu．edu．cn 文章编号：1007－6069（2014）04－0113－07基于OpenSees 的钢－混凝土组合梁钢框架抗震性能研究张俊峰1，董林林2（1．郑州大学土木工程学院，河南郑州450001；2．华优建设设计院郑州分院，河南郑州450000）摘要：基于OpenSees 有限元软件编制了钢－混凝土组合梁纤维单元函数模块，与试验对比结果表明，该单元可以很好的模拟组合梁钢框架在地震往复荷载作用下的受力性能；以试验框架为基础，通过改变混凝土翼板厚度、配筋率、型钢梁高度、混凝土强度和钢材强度等影响因素，研究其对组合梁钢框架抗震性能的影响。

研究结果表明：钢梁高度对钢框架的抗震性能影响最大，混凝土板厚度和钢材强度等级影响次之，配筋率和混凝土强度等级对结构的抗震性能影响很小。

关键词：OpenSees ；组合梁；抗震性能；钢框架中图分类号：TU398+．9文献标志码：ANumerical simulation seismic behavior of steel frames with steel －concretecomposite beam based on OpenSeesZHANG Junfeng 1，DONG Linlin 2（1．School of Civil Engineering ，Zhengzhou University ，Zhengzhou 450001，China ；2．Zhengzhou Design Institute branch ，Huayou Architecture Design Institute ，Zhengzhou 450000，China ）Abstract ：A steel －concrete composite fiber beam model is developed in this paper based on OpenSees．The model is verified through the experiment showing that the fiber beam model possesses good accuracy and can be used to perform global elasto －plastic analysis of steel －concrete composite frames subjected to the cyclic lateral loads．The parameters affecting the Seismic behavior of steel －concrete composite frames are analyzed ，including the thickness of concrete slab ，reinforcement ratio ，steel beam height ，the strength of concrete and steel strength ，etc．The re-sults show that the beam height has the greatest influence on the seismic performance of steel framework ，concrete slab thickness and steel strength grade greater on the seismic performance of steel framework ，reinforcement ratio ，concrete strength grade have little impact on the seismic performance of structure．Key words ：OpenSees ；composite beam ；seismic performance ；steel frame引言钢－混凝土组合梁钢框架结构体系，因其承载力高、施工周期短、刚度大、延性好和绿色环保等优点在多层和高层结构中大量应用。

基于OpenSees的高强钢筋混凝土柱抗震性能数值模拟摘要：基于OpenSees平台，采用梁柱纤维单元建立了钢筋混凝土单柱的纤维模型，对循环荷载下的配置HRB500纵筋和箍筋的混凝土单柱非线性滞回反应进行了数值模拟。

通过对模拟结果和试验结果的对比分析，验证了OpenSees平台对于配置高强钢筋混凝土柱的抗震性能模拟的可行性和精确性。

关键词：OpenSees;高强钢筋混凝土柱；纤维模型；数值模拟；抗震性能0 引言我国目前的用钢水平远低于国际先进水平，根据混凝土结构的发展趋势，推广应用高强钢筋将促进我国结构用钢水平的提高，在建筑结构中推广应用HRB500钢筋，具有巨大的经济效益和社会效益。

2010年《混凝土结构设计规范》正式将HRB500级钢筋纳入主力钢筋并用于混凝土梁、柱和剪力墙的设计。

目前，高强钢筋用于混凝土柱的试验和理论研究比较缺乏，在500Mpa级纵筋抗压强度、高强约束箍筋抗拉强度和高强钢筋对柱的位移延性的影响等问题上存在争议，有必要进行进一步的试验研究和理论分析，为高强钢筋的推广和应用提供科研依据。

笔者基于OpenSees开放程序平台采用基于有限单元刚度理论的DBBC纤维单元建立了钢筋混凝土单柱的纤维模型，采用与试验相同的加载方式，模拟了同济大学所做的4根配置HRB500纵筋和箍筋的混凝土柱的低周反复加载试验，并对柱的滞回曲线和骨架曲线进行了对比分析，验证了此种模型的正确性和可靠性。

1 钢筋混凝土柱纤维模型纤维模型将杆件截面划分为多个纤维，每个纤维均为单轴受力，不同的纤维可以赋予不同的材料本构。

纤维模型假定构件截面在变形中始终保持为平面，因此只要知道构件截面的弯曲和轴向应变就可以得到截面每一根纤维的应变，从而得到截面的刚度。

本文选用DBBC（Displacement—Based Beam Column）单元，该单元是一种分布塑性单元，该单元允许刚度沿杆长变化，首先通过结点位移得到相应的单元杆端位移，然后根据位移插值型函数求得截面的变形，再根据截面的恢复力关系得到相应截面抗力与截面切线刚度矩阵，最后按照Gauss—Legendre积分方法沿杆长积分计算出整个单元的抗力与切线刚度矩阵。

OpenSees 是一个开源的、基于对象的、用于模拟和分析结构系统的软件框架，它主要用于地震工程和结构工程领域。

在OpenSees 中，纤维梁单元（Fiber Beam Column Element）是一种常用的单元类型，它用于模拟梁和柱等结构元件的行为。

纤维梁单元的用途包括但不限于以下几点：
1. 非线性分析：
- 纤维梁单元可以模拟结构在极端载荷（如地震作用）下的非线性响应，包括塑性变形和破坏。

2. 材料特性：
- 通过定义不同类型的纤维（如混凝土纤维、钢筋纤维等），可以模拟不同材料的应力-应变关系，包括弹性、塑性和断裂行为。

3. 截面特性：
- 纤维梁单元可以模拟复杂截面的几何形状和材料分布，从而更准确地计算结构的受力性能。

4. 结构优化：
- 使用纤维梁单元可以进行结构优化设计，通过调整截面尺寸、材料性质等因素来提高结构的性能。

5. 地震响应分析：
- 在地震工程中，纤维梁单元可以用来模拟结构在地震作用下的响应，帮助工程师评估结构的抗震性能。

6. 破坏分析：
- 纤维梁单元能够模拟结构的破坏过程，包括裂缝的发展和材料的失效，这对于评估结构的耐久性和安全性至关重要。

7. 复杂结构模拟：
- 对于复杂的结构系统，如高层建筑、桥梁和核电站等，纤维梁单元可以提供高精度的模拟结果。

8. 教育与培训：
- 纤维梁单元也可以用于教育和培训，帮助学生和工程师理解结构分析的基本原理和实践。

OpenSees 中的纤维梁单元是一个强大的工具，它可以在结构分析和设计中模拟复杂的几何形状、材料特性和加载条件，为工程决策提供科学依据。

“钢筋混凝土结构非线性分析中”文件汇总目录一、ANSYS在预应力钢筋混凝土结构非线性分析中的应用二、ANSYS,ADINA在钢筋混凝土结构非线性分析中的应用与算例分析三、面向对象开放程序OpenSees在钢筋混凝土结构非线性分析中的应用与初步开发四、钢筋混凝土结构非线性分析中的本构关系ANSYS在预应力钢筋混凝土结构非线性分析中的应用随着科技的不断发展，计算机辅助工程（CAE）软件在建筑领域的应用越来越广泛。

其中，ANSYS作为一种强大的CAE软件，在预应力钢筋混凝土结构非线性分析中发挥了重要作用。

本文将介绍ANSYS在预应力钢筋混凝土结构非线性分析中的应用。

预应力钢筋混凝土结构是一种采用先进预应力技术建造的混凝土结构，具有较高的承载能力和良好的抗震性能。

非线性分析是预应力钢筋混凝土结构分析的重要手段，可以揭示结构的复杂行为和破坏机制。

ANSYS作为一种通用的有限元分析软件，为预应力钢筋混凝土结构的非线性分析提供了强大的支持。

ANSYS在预应力钢筋混凝土结构非线性分析中的应用主要体现在以下几个方面：建模与网格划分：ANSYS提供了强大的建模功能和网格划分工具，可以方便地建立预应力钢筋混凝土结构的计算模型，并对其进行了精细的网格划分，以获得准确的计算结果。

材料本构关系：ANSYS支持多种材料本构关系，包括弹性、塑性、断裂等。

在预应力钢筋混凝土结构的非线性分析中，可以根据材料的实际性能参数设置相应的本构关系，以模拟结构的真实行为。

预应力效应分析：ANSYS的预应力模块可以方便地施加预应力，模拟预应力钢筋混凝土结构的预应力效应。

同时，还可以进行预应力优化设计，以获得最佳的预应力筋布置和应力水平。

非线性求解器：ANSYS提供了非线性求解器，可以解决预应力钢筋混凝土结构的非线性问题。

在求解过程中，ANSYS可以根据结构的变形和内力分布情况自动调整求解策略，以获得稳定的计算结果。

后处理与可视化：ANSYS的后处理功能强大，可以将计算结果以图形、图表等形式进行可视化处理，方便结构工程师进行结果分析和优化设计。

OPENSEESOPENSEESopensees中的单元问题梁柱单元1. Nonlinear BeamColumn基于有限单元柔度法理论。

允许刚度沿杆长变化，通过确定单元控制截面各自的截面抗力和截面刚度矩阵,按照Gauss-Lobatto积分方法沿杆长积分计算出整个单元的抗力与切线刚度矩阵。

NonlinearBeamColumn单元对于截面软化行为，构件反应由单元积分点数控制，为保证不同积分点数下构件反应的一致性，可以通过修正材料的应力-应变关系来实现，但同时会造成截面层次反应的不一致，因此需要在截面层次进行二次修正。

一根构件不需要单元划分，使用1个单元即可，建议单元内使用4个截面积分点，截面上使用6*6的纤维积分点。

[5]2. Displacement – Based BeamColumn基于有限单元刚度法理论。

允许刚度沿杆长变化，按照Gauss -Legendre积分方法沿杆长积分计算出整个单元的抗力与切线刚度矩阵。

Displacement - BasedBeam- Column单元对于截面软化行为，构件反应由遭受软化行为的单元长度控制，为保证计算结果的精确性，一般需要将构件离散为更多的单元，而截面层次的反应与构件的单元离散数无关，可以较为准确地反应截面的软化行为。

建议一根构件划分为5个单元，单元内使用4个截面积分点，截面上使用6*6的纤维积分点。

[5]3. Beam With Hinges基于有限单元柔度法理论。

假定单元的非弹性变形集中在构件的两端，在杆件端部设置2个积分控制截面,并设定恰当的塑性铰长度，按照Gauss - Radau积分方法沿塑性铰长度积分来模拟构件和整体结构的非线性反应特点，而杆件中部的区段仍保持弹性。

L P塑性铰长度。

通过对BeamWithHinges单元的积分方法进行修正，保证塑性铰区只存在一个积分点，BeamWithHinges单元对于截面软化行为可以在单元层次和截面层次准确地进行描述。

动力分析软件OPENSEES中纤维模型的应用介绍【摘要】本文详细介绍了建筑结构常用的opensees软件中各种纤维梁柱模型的计算原理，并用opensees中的纤维模型模拟了一个钢筋混凝土柱试件。

通过计算结果与试验结果的对比，显示此模型能够比较准确的模拟钢筋混凝土柱构件在大变形下的非线性反应。

【关键词】软件；非线性反应；数值分析；纤维模型引言如何较可靠的模拟结构在强震作用下的非线性反应是结构抗震领域的重要课题。

人们已经很好的解决了结构的弹性分析问题，而对结构的非线性反应分析却一直没有很好的解决方案。

解决结构的非线性反应分析问题首先要解决构件非线性分析模型问题。

纤维模型是近来引起广泛关注的构件非线性分析模型，此模型在另一个结构动力分析软件canny中已有运用，但为了简化计算该程序作了较多假设，因此对计算精度有一定的影响。

opensees中的梁柱纤维模型在算法上更接近实际，能很好地模拟实际构件的反应。

本文详细探讨了opensees中纤维梁柱模型的计算原理，并用opensees中基于纤维模型的nonlinear beam-column模型建模，对一个钢筋混凝土柱试件进行数值模拟。

数值计算结果与试验结果的比较表明opensees中的nonlinear beam-column模型能很好的模拟各构件的在大变形时的非线性反应。

1 opensees中各梁柱模型计算原理介绍1.1 概述opensees中的梁柱模型包括弹性梁柱模型、非线性梁柱模型、两端塑性铰模型。

弹性梁柱模型比较简单，本文就不过多叙述了。

非线性梁柱模型、两端塑性铰模型主要基于纤维模型。

纤维模型是指将纤维截面赋予梁柱构件（即定义构件的每一截面为纤维截面），纤维截面是将构件截面划分成很多小纤维（包括钢筋纤维和混凝土纤维）对每一根纤维只考虑它的轴向本构关系，且各个纤维可以定义不同的本构关系。

纤维模型假定构件的截面在变形过程中始终保持为平面，这样只要知道构件截面的弯曲应变和轴向应变就可以得到截面每一根纤维的应变，从而可以计算得到截面的刚度。

基于OpenSEES的SRC梁柱节点单元模型研究基于OpenSEES的SRC梁柱节点单元模型研究摘要：随着高层建筑和桥梁的快速发展，结构的抗震性能要求越来越高。

钢筋混凝土（SRC）结构是目前广泛使用的一种结构形式，其具有优异的抗震性能。

为了更好地理解和研究SRC结构的力学特性，本文采用基于OpenSEES（开源地震工程模拟软件）的梁柱节点单元模型进行模拟分析。

关键词：SRC结构、梁柱节点、单元模型、OpenSEES1. 引言近年来，地震灾害频繁发生，尤其是在一些高密度城市区域，地震对于高层建筑和桥梁的损害程度严重。

因此，提高结构的抗震性能成为了重要的研究方向。

钢筋混凝土结构作为目前应用广泛的一种结构形式，其在地震中具有较好的抗震性能，特别是在梁柱节点部位的承载力和刚度方面。

针对SRC梁柱节点的研究，可以更全面地了解其在地震中的性能。

2. 研究方法本研究采用OpenSEES作为仿真软件，构建SRC梁柱节点的单元模型。

首先，建立钢筋混凝土材料的本构模型，考虑材料的线性弹性行为和非线性本构行为。

然后，根据SRC梁柱节点的具体几何结构和布置钢筋的方式，构建节点单元模型。

最后，通过设定地震荷载的工作方式，并进行模拟分析和结果的对比。

3. 模型验证为了验证所建立的SRC梁柱节点单元模型的准确性，将其与现有试验数据进行对比。

选取具有代表性的SRC梁柱节点试验模型，在OpenSEES中进行模拟分析，并得出节点的受力性能。

通过对比试验数据和模拟结果，评估节点模型的准确性和适用性。

4. 参数分析在模型验证基础上，进一步进行参数分析，探讨不同参数对SRC梁柱节点性能的影响。

主要考察节点构造、钢筋布置、混凝土强度等因素对节点刚度、延性和承载力的影响。

通过仿真分析得出不同参数下节点性能的变化规律，为优化设计和改进实际结构提供参考依据。

5. 结果与讨论根据模型验证和参数分析的结果，我们可以得出如下结论：首先，所建立的SRC梁柱节点单元模型可以较准确地模拟节点的力学行为，并与试验数据吻合较好。

2结构非线性分析程序OpenSees介绍2.1 程序概述OpenSees[9]的全称是Open System for Earthquake Engineering Simulation （地震工程模拟的开放体系）。

它是由美国国家自然科学基金（NSF）资助、西部大学联盟“太平洋地震工程研究中心”（Pacific Earthquake Engineering Research Center，简称PEER）主导、加州大学伯克利分校为主研发而成的、用于结构和岩土方面地震反应模拟的一个较为全面且不断发展的开放的程序软件体系。

OpenSees程序自1999年正式推出以来，已广泛用于太平洋地震工程研究中心和美国其它一些大学和科研机构的科研项目中，较好的模拟了包括钢筋混凝土结构、桥梁、岩土工程在内众多的实际工程和振动台试验项目[11][12]，证明其具有较好的非线性数值模拟精度。

该程序正在引起世界各国结构工程领域众多研究人员的关注和重视，而在国内也开始有少数学校开展了一些初步的学习和相关的研究工作[13]。

作为国外具有一定影响的分析程序和开发平台， OpenSees还具有以下一些突出特点：便于改进，易于协同开发，保持国际同步。

利用程序面向对象编程和内部源码开放的特点，我们完全可以根据实际情况，改进材料的本构关系，加入新的单元类型，或者设计和使用更为高效的迭代方法，等等。

由于采用了统一的对象分类方法，编程过程将类似采用标准部件组装设备一样，由对象拼装成完整的程序，编程人员可通过继承方式派生出新的对象类，在新对象类中添加新的操作功能，建立满足自己特定需要的程序，从而使结构分析程序的开发难度大为降低。

同时，作为开放式的结构动力非线性分析程序，OpenSees在伯克利开发人员和世界各地越来越多使用者的共同努力下，不断发展、提高和完善。

通过追踪相关的互联网站点，我们可以与其他国家的人们交流程序的使用经验、技巧和体会，适时了解程序的改进和提高，甚至有可能为程序的进一步发展做出我们自己的贡献。

动力分析软件OPENSEES中纤维模型的应用介绍【摘要】本文详细介绍了建筑结构常用的opensees软件中各种纤维梁柱模型的计算原理，并用opensees中的纤维模型模拟了一个钢筋混凝土柱试件。

通过计算结果与试验结果的对比，显示此模型能够比较准确的模拟钢筋混凝土柱构件在大变形下的非线性反应。

【关键词】软件；非线性反应；数值分析；纤维模型引言如何较可靠的模拟结构在强震作用下的非线性反应是结构抗震领域的重要课题。

解决结构的非线性反应分析问题首先要解决构件非线性分析模型问题。

纤维模型是近来引起广泛关注的构件非线性分析模型，opensees中的梁柱纤维模型在算法上更接近实际，能很好地模拟实际构件的反应。

本文详细探讨了opensees中纤维梁柱模型的计算原理，并用opensees中基于纤维模型的nonlinear beam-column模型建模，对一个钢筋混凝土柱试件进行数值模拟。

数值计算结果与试验结果的比较表明opensees中的nonlinear beam-column模型能很好的模拟各构件的在大变形时的非线性反应。

1 opensees中各梁柱模型计算原理介绍1.1 概述opensees中的梁柱模型包括弹性梁柱模型、非线性梁柱模型、两端塑性铰模型。

弹性梁柱模型比较简单，本文就不过多叙述了。

非线性梁柱模型、两端塑性铰模型主要基于纤维模型。

纤维模型是指将纤维截面赋予梁柱构件（即定义构件的每一截面为纤维截面），纤维截面是将构件截面划分成很多小纤维（包括钢筋纤维和混凝土纤维）对每一根纤维只考虑它的轴向本构关系，且各个纤维可以定义不同的本构关系。

纤维模型假定构件的截面在变形过程中始终保持为平面，这样只要知道构件截面的弯曲应变和轴向应变就可以得到截面每一根纤维的应变，从而可以计算得到截面的刚度。

1.2 opensees中的nonlinear beam- column模型：opensees中的nonlinear beam-co lumn模型是基于纤维模型的，它在计算构件的柔度矩阵时采用高斯数值积分方法，每个积分点位置的截面都用纤维截面模拟，这样每个积分点处截面的柔度与实际截面得柔度非常接近，且积分点的个数可以由使用者任意确定。

面向对象开放程序OpenSees在钢筋混凝土结构非线性分析中的应用与初步开发共3篇面向对象开放程序OpenSees在钢筋混凝土结构非线性分析中的应用与初步开发1随着科学技术的快速发展，钢筋混凝土结构的应用越来越广泛。

然而，钢筋混凝土结构的分析涉及到众多的非线性因素，这给钢筋混凝土结构的设计与分析带来了极大的挑战。

为了更好地进行钢筋混凝土结构非线性分析，我们可以采用面向对象开放程序OpenSees进行开发。

OpenSees是一款开源的地震工程模拟软件，其功能强大、易学易用、模块化，可以支持快速有效地进行地震工程模拟。

在应用中，OpenSees可以应用于任何类型的结构，包括钢筋混凝土结构，具有良好的可扩展性和灵活性，可以根据用户需求进行个性化的开发和定制。

使用OpenSees进行钢筋混凝土结构非线性分析，可以得到精确的分析结果，为钢筋混凝土结构的设计提供重要参考。

在钢筋混凝土结构非线性分析中，OpenSees可以用于进行静力分析、动力分析、地震响应分析等。

在进行静力分析时，OpenSees可以通过已知的荷载和结构几何特性，计算出结构的受力情况，获得结构的内力和位移分布。

在进行动力分析和地震响应分析时，OpenSees可以分析结构的动力特性和地震反应，快速进行地震灾后评估和结构加固的设计。

在钢筋混凝土结构非线性分析中，应用OpenSees进行初步开发时需要进行以下几个方面的工作：首先，需要对OpenSees的基本理论和使用方法进行学习和掌握。

其次，需要进行钢筋混凝土结构的建模和离散化操作，建立结构模型，确定节点和单元等基础元素。

然后，需要进行材料模型的选择和参数设定，根据材料的弹塑性特性进行模拟。

最后，需要进行边界条件的设定和分析求解操作，以得出结构的内力和位移分布，进行分析结果的后处理和可视化。

通过这些步骤，可以开发出适用于钢筋混凝土结构非线性分析的OpenSees子程序，提高分析效率和精度。

总之，OpenSees在钢筋混凝土结构非线性分析中具有广泛的应用前景。

钢筋混凝土梁的非线性有限元分析钢筋混凝土梁是建筑和桥梁结构中常见的构件之一，其承载能力和使用寿命直接关系到结构的安全性和经济性。

而非线性有限元分析作为一种重要的结构分析方法，能够更为真实地模拟结构在荷载作用下的受力性能，因而被广泛应用于钢筋混凝土梁的设计和评估中。

一、钢筋混凝土梁的非线性性钢筋混凝土梁的非线性行为主要表现在以下几个方面：1. 材料非线性混凝土材料的应力-应变关系存在一定的非线性性，尤其是在承载能力超过一定程度后，应变与应力不再呈线性关系。

钢筋材料的强度和延性也存在一定程度的非线性行为，故需要在非线性有限元分析中考虑材料的本构关系。

2. 几何非线性钢筋混凝土梁作为大变形结构，其载荷过程中会发生形状和尺寸的变化，从而影响其刚度和强度。

在分析中需要考虑这种几何非线性行为。

3. 边界非线性钢筋混凝土梁的边界条件通常采用固支、自由支承和滑动支承等形式，这些边界条件的变化也会造成其受力性能的非线性影响。

在分析过程中需要考虑边界条件的非线性行为。

二、非线性有限元分析原理非线性有限元分析方法的基本原理是将复杂的结构分割成一个个较小的有限元单元，每个单元内部的状态由一系列节点的位移来描述，从而建立结构的数学模型。

该模型采用虚功原理和等效力法分别描述梁件内部的应力和节点间的相互作用关系，同时考虑材料本构、几何和边界非线性，对结构进行求解和分析。

三、钢筋混凝土梁非线性有限元分析的步骤和注意事项1. 模型建立首先需要根据结构实际情况建立数学模型，采用三维或平面等几何形态，按照梁的截面尺度和性质分配节点，对材料和边界条件等进行定义。

2. 材料本构关系的确定根据混凝土和钢筋材料的本构关系，对节点的应变和应力进行描述。

3. 载荷施加根据结构实际荷载和边界条件，对模型进行载荷施加，并对不同荷载情况下的结构进行分析。

4. 结果输出和分析利用计算机分析并输出模型的应力、应变、位移等结果，通过结果分析结构在不同载荷条件下的变形和破坏模式，并对设计进行优化和调整。