陈学伟-OpenSEES前后处理程序ETO及实例教程
地震工程学 OpenSeesNavigator
地震工程学作业（二）学生：学号：指导老师：日期：目录1、结构弹塑性分析基础 (1)1.1弹塑性分析理论基础 (1)1.2OpenSees&Navigator简介 (2)2、荷载计算与结构截面的选定 (3)3、钢筋混凝土结构模型 (4)3.1材料参数选定 (4)3.2模型建立 (6)3.2.1建立几何模型 (6)3.2.1Define (8)3.2.2Assign (11)3.3模态分析 (12)3.4自重加载分析 (13)3.5正弦激励分析 (14)3.5.1动力分析建模 (14)3.5.1正弦激励弹性分析结果 (16)3.5.2正弦激励弹塑性分析结果 (17)3.6ElCentro-NS激励分析 (18)3.7小结 (21)4、钢结构模型 (22)4.1截面选定与材料定义 (22)4.2分析结果 (23)4.2.1自重加载分析 (23)4.2.1正弦激励弹塑性分析 (24)4.2.2El-NS激励分析 (25)4.3小结 (28)1、结构弹塑性分析基础1.1弹塑性分析理论基础结构在地震加速度作用下的运动学方程可表示为：}1{)(M f X C X M t a -=++∙∙∙ （1-1）其中，C M,分别表示质量、阻尼矩阵;f 表示恢复力向量，它可能与速度位移等量有关;a(t)表示地震加速度时程，简记： F(t)M =-{1})(t a并将式1-1写成增量的形式，并认为性恢复力项仅与位移相关则有：F X f X C X M ∆=∆+∆+∆∙∙∙)( （1-2）将位移，速度项作Taylor 展开可以得： )(62432t O t t t ∆+∆+∆+∆=∆∙∙∙∙∙∙X X X X （1-3）)(232t O t t ∆+∆+∆=∆∙∙∙∙∙∙X X X （1-4） 再考虑近似关系：∙∙∙∙∙≈∆X X t （1-5）将式1-5代入1-3，1-4可得： ∙∙∙∙∙∆+∆+∆≈∆X X X X 6222t t t （1-6） ∙∙∙∙∙∆+∆≈∆X X X 2t t （1-7） 由于上式中丢掉了高阶项，因此1-6，1-7的关系只是近似成立的若再考虑两个优化自由度，则为Nemark 法的基本思路。
1 OpenSees安装及使用
这一公式在有限元分析中应用很广，采用统一式子表达上升段和下 分析时可取： 0 0.002； cu 0.003 ~ 0.004； cu (0.80 ~ 0.85) 0 降段，在ADINA中基本采用此应力－应变本构模型。
1971年Sargin 对Saenz表达式进行修正
A ( D 1 ) 0 0
过镇海箍筋约束高强混凝土双参数本构模型
Av x (3 2 Av ) x 2 ( Av 2) x 3 0 x 1 y ( x) x c x 1 2 a v ( x 1) x f cc 箍筋约束混凝土
f cc
y
c
f cc
x
c c0
fc s 1 1.09v 1 f c b
日本学者 Desayi 和 Krishnan 提出的表达式
Desayi and Krishnan Model
E 1 0
2
fc
0
0
cu
该公式开创了用统一式子表达上升段和下降段，很多学者在此基础 上进行修正和完善。
1964年Saenz 等人的表达式
D为主要影响下降段的参数，对上升段影响很小。 适合用来描述各种标号混凝土及箍筋约束混凝土的本构关系，被 CEB-
FIP MC90欧洲规范采用。
清华大学过镇海提出的应力-应变全曲线表达式
若采用无量纲坐标x=/0，y=/fc， 则混凝土应力-应变全曲线的几何特 征必须满足:
(MPa)
C80
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, PEER）主导、以加州
(word完整版)opensees总结2,推荐文档
1、瑞利阻尼在OPENSEES 中，结构采用瑞利（Rayleigh ）阻尼，即阻尼矩阵的大小与结构的质量矩阵，刚度矩阵都相关，瑞利阻尼的计算公式如下，阻尼与刚度质量的关系如下图所示。
[][][]01c a m a k =+式中，ξ为阻尼比，a 0为质量相关系数，a 1为刚度相关系数，[c]为阻尼矩阵，[m]为质量矩阵，[k]为刚度矩阵；ωm 、ωn 为结构两个主振型的圆频率，由于 OPENSEES 能够直接求解振型的特征值，那么特征值与圆频率的关系：=λω。
命令流的解读如下：set xDamp 0.05 ;————设置阻尼比为0.05set nEigenI 1;————主振型1为第1振型set nEigenJ 2;————主振型2为第2振型set lambdaN [eigen [expr $nEigenJ]];————求解两阶振型即可set lambdaI [lindex $lambdaN [expr $nEigenI-1]];————提取第1阶特征值 set lambdaJ [lindex $lambdaN [expr $nEigenJ-1]];————提取第2阶特征值 set omegaI [expr pow ($lambdaI,0.5)];——— —从特征值求圆频率set omegaJ [expr pow($lambdaJ,0.5)];————从特征值求圆频率set alphaM [expr $xDamp*(2*$omegaI*$omegaJ)/($omegaI+$omegaJ)];————alphaM 为a 0，即质量相关系数；set betaKcurr [expr 2.*$xDam p/($omegaI+$omegaJ)]; ———betaKcurr 为a1，即刚度相关系数；rayleigh $alphaM $betaKcurr 0 0———定义瑞利阻尼，只需要填写a0、a1，其它值为0。
opensees解题技巧窍门
OpenSEES解题一般规律、技巧总结单位OpenSEES中是可以用公制单位（N,m）的（而并不是像某些文章中说的“OpenSees默认为英制单位”）。
实际上我认为OpenSEES中并没有什么默认单位，只要编程者自己保持单位一致就行；这点类似于SAP2000的风格。
建模顺序做事要讲究顺序，OpenSEES建模亦如是：必须先定义材料才能离散截面（因为离散截面时要对所划分的截面指定材料属性）。
与之类似的，必须先定义（离散）截面，才能定义非线性梁柱单元（因为定义非线性梁柱单元时要指定单元截面）。
关于BandSPD求解方式官网关于BandSPD方程形式的评价："This is a good choice for most small size models. "并且后面紧跟了一句："The equations have to be numbered so the widely used RCM (Reverse Cuthill-McKee) numberer is used. "可见numberer 类型不是随便选，而是要根据方程类型来决定的！（不过直到作业做完，我对numberer, system, test, algorithm, analysis（还包括geomTransf, constraints）等求解控制命令还是一知半解！我觉得要想弄明白这些命令——得先回头好好翻翻有限元和数值分析的书了！）OpenSEES中默认的计算精度比较高！“0.1000000000000001≠0.1”：（自行总结，未找到官方说明）这是一个真实的故事：我曾在程序中自以为是的将一连串相邻均只有0.1左右的数的差强行赋值为0.1，而没有采用循环命令将两数作差并将结果赋给新变量——其中即有这样的强行截断！我以为小数点后都n位了，即使我带着它最后也会被系统截断，还不如我直接预处理来得清爽！没想到这样做直接导致计算不收敛！真是失之毫厘谬以千里！可见在OpenSEES中默认的计算精度比较高！后来我还在老师给的一份范例程序（Silvia Mazzoni & Frank McKenna, 2006）中发现了这么一段：……set Ubig 1.e10; # a really large numberset Usmall [expr 1/$Ubig]; # a really small number……可见系统并未认为Usmall=0 ！再一次印证了这一点！划分纤维截面时角点坐标输入的门道划分纤维截面时角点坐标输入非常有讲究！为了说的直白，我把要点放到下面这张图中了：数据文件处理OpenSEES运行中是可以生成并读写txt文档的！注意我说是“读写”哦！（生成txt文档的好处是方便运行完后双击生成的数据文件读取数据，你懂的。
opensees总结
1、定义梁柱单元局部坐标轴的命令流为：geomTransf Linear $transfTag $vecxzX $vecxzY $vecxzZ其中，$transfTag 代表局部坐标轴矢量的编号，$vecxzX $vecxzY $vecxzZ 表示局部坐标轴的方向矢量值。
2、OPENSEES 的刚性隔板假定命令流格式为：rigidDiaphragm $perpDirn $masterNodeTag $slaveNodeTag1 $slaveNodeTag2 ...其中，$perpDirn 表示刚性隔板的方法，如实例中楼板的刚性隔板的平移方向为U1（X 方向）与U2（Y 方向），即1-2 平面，该值应为3。
$masterNodeTag 为主结点，$slaveNodeTag1 为从结点。
主结点一般为刚性隔板刚心。
实例中：rigidDiaphragm 3 35 2，表示刚性隔板平动方向为1-2 平面，刚心主节点为35 点，2号结点为从结点。
3、弹性梁柱单元的命令流：element elasticBeamColumn $eleTag $iNode $jNode $A $E $G $J $Iy $Iz $transfTag需要提供截面的截面积A、截面Y 轴惯性矩Iy，截面Z 轴惯性矩Iz，截面扭转矩，截面材料的弹性模量E 及剪切模量G。
其中：$transfTag 与$eleTag 是一致的，表示一个单元有自已特定的坐标轴向量，为了编程的方便。
陈：例题三4、非线性材料模型的定义(1)uniaxialMaterial Steel01 1 335 200000 0.00001表示，钢筋的屈服强度为335MPa，弹性模量为200000MPa，硬化系数为0.00001，即屈服平台基本上为水平段。
将混凝土材料本构C40 改为非线性混凝土本构【Concrete01】，命令流如下：(2)uniaxialMaterial Concrete01 2 -26.8 -0.002 -10 -0.0033材料参数意见参考图所示。
OPENSEES
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。
OpenSees系统识别工具箱开发及应用
作为损伤识别的指标是不理想的 。对于以弯曲变形 为主的结构 ,曲率是对损伤较为敏感的动力参数 ,不 少研究者对曲率模态及其相关的改进研究进行了阐 述及应用 [ 1 - 5 ] ,这些方法的损伤识别能力都比位移 模态有所改善 ,但是 ,也都还有一定的局限性 。由此 看来 ,损伤识别指标依然是这一研究领域的瓶颈 , 在很大程度上 ,限制了结构健康监测系统的应用与 发展 。
但是由于在获取曲率的矩阵中某些参数的取值存在随意性难以在实际结构中加以应用5中可以发现在直接刚度法中采用惩罚函数法获取曲率模态最大的困难是参数的选取各种损伤情况下各阶模态都需要寻找不同的惩罚参数在损伤预先不知的情况下难以在实际工程结构中应用针对上述直接刚度法所存在的问题作者对曲率模态的获取采用中心差分法再用式1获取结构无损与损伤状态下的刚度并在此基础上引入刚度变化指标stiffnessvariationindexsvi用于损伤识别其定义如下
0 引 言
结构健康监测系统对于保障现役结构的安全和 评估剩余寿命 ,具有极其重要的意义 。结构损伤识 别作为健康监测系统的核心内容 ,一直是研究人员 和结构工程师关注的重要问题 , 但是到目前为止 , 还没有简单实用和公认的损伤识别指标可供结构工 程师应用 。人们已经意识到 ,直接应用结构的模态
现有的损伤识别方法一般假定结构的质量矩阵
在损伤前后不变 ,刚度参数由于出现局部损伤而减 小 ,且不考虑阻尼的影响 。在自由振动的条件下 ,结 构的动力方程为 :
M Β + KU = 0
(2)
将位移和加速度模态代入以上方程式可得 :
Kφm
=
ω2 m
Mφm
(3)
式中 m 为位移模态的阶数 。
从该式可以看出 ,模态 (或振型 )就是模态惯性
基于OpenSEES的剪力墙低周往复试验的数值分析
图 5 试件 3、试件 4的截面配筋图 (单位 : mm ) Fig. 5 Section and reinforcement of specimen 3 and specimen 4
( unit: mm )
表 3 钢筋参数 Table 3 Parameters of reinforcement
钢筋 型号
第 36卷 第 12期 2008年 12月
华 南 理 工 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
J ou rna l of S ou th C h ina U n ive rsity of Techno logy (N a tu ra l S c ience Ed ition)
V o l. 36 N o. 12 D ecem be r 2008
本研究基于 OpenSEES程序和多竖向弹簧单元 (MVLEM )模拟剪力墙结构 ,通过对 OpenSEES进行 二次开发 ,编制了剪力墙弹塑性分析程序 SWNA ,并 对广州花园酒店剪力墙低周往复试验进行数值模 拟 ,将分析结果与试验结果进行对比.
1 多竖向弹簧单元理论
MVLEM 克服了 TVLEM 中弯曲弹簧和边柱杆
2 规范 0. 36 <6@110 <6@120
80
120
原
<4@160 ×
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OpenSEES前后处理程序ETO
及实例教程
WSP HONG KONG LTD
Principle Engineer
Dr. Chen Xuewei
主要内容(Main Content)
⏹ETO 简介及开发思路⏹ETO 主要功能介绍⏹
OpenSEES 实例教程
15分钟简单介绍
ETO
简介及开发思路
ETO 是一款具有与ETABS
交互接口的OpenSees 前后处理程序。
节点信息质量源信息截面信息
单元几何信息约束信息荷载信息线性材料信息单元定义
（如：纤维截面、Transformation ）
变形显示
分析参数设置
（如：分析类型、控制参数）
记录设置
（如：节点位移、单元内力、截面变形、模态）
Tcl 脚本文件
针对实际问题进行适当修改即可提交运算
读取.OUT 结果文件
当前操作状态
菜单栏
快捷按钮工具栏
三维可视化界面导入ETABS生成的S2K文件ETO主要功能介绍
ETO主要功能介绍
单元定义
单元类型包括Elastic BeamColumn,
Nolinear BeamColumn, Disp
BeamColumn, Beam with Hinge,
Truss。
界面类型包括工字型界面、矩形截
面。
材料选择。
GeoTransf包括Linear, P-Delta,
Corotational。
截面配筋。
纤维划分定义。
分析类型包括Single Load Control,
Single Displacement Control,
Gravity+Pushover, Modal Analysis,
Time History Analysis, D+L Time
Hist Analysis。
控制工况包括荷载控制、位移控制。
材料选择。
非线性设置包括梁柱单元积分点数、
钢筋材料序号。
截面组装。
模态数量。
记录设置
所有节点位移。
所有框架单元内力。
非线性梁柱单元截面变形。
非线性梁柱单元截面应力-应变关系。
振型特征值。
ETO主要功能介绍
显示单元编号
显示单元局部坐标轴
ETO主要功能介绍
显示节点荷载
或单元荷载
生成Tcl 脚本文件
ETO 主要功能介绍
节点变形显示
实例1 桁架桥结构静力分析
6.5e-018 -0.378 -1.653
主要介绍从ETABS 建模、ETO 修改模型到生成OpenSees 命令流的流程，并解释命令流中节点建模、节点约束、弹性材
料、桁架单元、节点单元输出设置、点荷载设置及分析工况设置等部分的命
令，最后对比了ETABS 和OpenSees 的计算结果。
实例2 多层框架结构静力分析
主要介绍梁柱单元局部坐标轴的定义方法与解释、拉格朗日处理约束方法与刚性隔板定义的关系。
实例3 简支梁弹塑性分析
主要介绍非线性材料Steel01与Concrete01、基于柔度法的纤维单元、位移控制加载分析方法以及在ETO中查看截面变形的方法。
实例4 框架结构推覆分析
主要介绍截面抗扭与抗剪弹性本构的计算、截面组装（Section Aggregator ）命令流、loadConst 命令流及Push-over 推覆分析的命令流设置。
基底剪力-顶部位移曲线
01002003004005006007008000
50
100
150200250
300
350
水平位移(mm)
基底剪力(k N )
实例5 框架结构模态分析
主要介绍节点质量的定义、振型的记录（Recorder ）设置、振型分析设置以及ETO 中振型图的显示。
第2振型, T=0.381 s ，X
方向平动
第1振型, T=0.428 s ，Y
方向平动
第3振型, T=0.331 s
，扭转
实例6 框架结构弹性时程分析
主要介绍在OpenSees中瑞利阻尼的计算及设置、地震波的输入及弹性时程分析工况的设置。
实例7 框架结构弹塑性时程分析
主要介绍Concrete02材料、IDA（增量
动力分析）、不同峰值地震波作用下基
底剪力的统计与对比。
实例8 钢结构低周往复分析
主要介绍钢结构纤维截面的定义、基于刚度法的纤维单元、低周往复分析的方法。
通过细分单元和采用P-Delta 方式定义局部坐标轴
来模拟钢结构构件的屈曲特性。
考虑P-Delta 不考虑P-Delta
实例9钢结构网壳的屈曲分析
在OpenSees中采用Corotational方
式定义局部坐标轴、Lagrange乘
数法施加约束来考虑几何非线性。
实例10 单压连接单元的应用
主要介绍单压材料（Elastic-No Tension Material ）的应用、用Truss 单元作为连接单元模拟地基
对基础的作用。
stress or
force
实例11 缝连接单元的应用
主要介绍缝勾材料的定义与应用
及OpenSees中简单接触碰撞的模
拟。
实例12 杆件铰接的处理方法
在腹杆两端定义zeroLength单元
并通过equalDOF命令实现节点约
束，从而释放腹杆端部弯矩。
实例13 弹性壳单元的应用分析
主要介绍nDMaterial材料、PlateFiber截面
和ShellMITC4壳单元的定义与应用。
实例14 网架弹塑性分析
主要介绍圆钢管纤维截面的定义、
三向地震波的输入。
X向
Y向
Z向
实例15 预应力梁弹塑性分析
预应力的施加通过指定Steel02材料的初始应力属性实现；Concrete02材料考虑了混凝土的抗拉强度；普通钢筋混凝土梁与预应力钢筋之间通过刚臂相连。
采用零向量
加载，即可获得梁的初始变形。
Steel02
施加预应力后反拱
实例16 桥梁结构多点激励下弹性时程分析
介绍了基线调整的方
法、在OpenSees中梁
柱单元与壳单元耦合
建模的方法、多点激
励时程分析的实现方
法及SparseSPD算法
的应用。
未基线调整
基线调整
实例17 剪力墙低周往复分析
主要介绍在OpenSees 中采用基于刚度法的梁柱单元和刚臂模拟剪力墙的方法。
3@51
153
3@191
153
3@51
1219
8#3(db=9.53)
19
19
#2@91(db=6.35)
箍筋@76(db=4.76)
102
箍筋@76(db=4.76)
#2@140(db=6.35)
2#2(db=6.35)
8#3
(db=9.53)
实例18 框架剪力墙结构推覆分析
考虑楼层高度影响侧力模式下进
行推覆分析，得到基底剪力-顶点
位移曲线并转换为ADRS格式的
能力曲线，绘制需求曲线并求取
性能点。
实例19 带粘滞阻尼器的框架动力分析
在OpenSees中通过定义一采用
Maxwell材料的纤维截面，并指
定给安装了粘滞阻尼器的斜撑，
来实现粘滞阻尼器的模拟。
实例20 带隔震的框架动力分析
延长24.5%
在没有考虑隔震支座阻尼影响的
前提下，隔振器的强度、刚度由
屈服力Fy、弹性刚度K和屈服后
硬化率决定，故在简化的前提下
采用Steel01材料模拟隔振器。
顶点位移隔震支座滞回曲线
首层柱轴力
ETO及实例教程均可在免费下载！
ETO及实例教程均可在免费下载！
感谢教程小编：林哲同学
感谢对的捐助的同行们！
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