常用結(jié)構(gòu)分析軟件的比較

陳煒  路軍君

中國(guó)建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司中南分公司

    當(dāng)前設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)在進(jìn)行鋼筋混凝土設(shè)計(jì)時(shí)，一般都采用結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行計(jì)算。本文結(jié)合工程實(shí)踐，從設(shè)計(jì)人員的角度對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分行軟件的選擇及使用等問(wèn)題提出了自己的看法。

1、現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析軟件的分析和比較

    (1)結(jié)構(gòu)分析軟件的模型及其優(yōu)缺點(diǎn)。TAT和TBSA屬于結(jié)構(gòu)空間分析的第一代程序，其結(jié)構(gòu)采用空間桿系單元，其中梁、柱、斜柱采用簡(jiǎn)化的空間桿件，剪力墻采用空間薄壁柱。在形成單剛后在加入剛性樓板的位移協(xié)調(diào)距陣，引入了樓板無(wú)限剛性假設(shè)，大大減少了，結(jié)構(gòu)自由度。SATWE、TBWE和TBSAP在空間桿系基礎(chǔ)上加人了墻元，SATWE和TBSAP還加入了樓板分塊剛性假設(shè)與彈性樓板假設(shè)，更能適應(yīng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

    SATWE采用空間桿單元模擬梁、柱及支撐等桿件，用在殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻。墻元是專(zhuān)用于模擬多、高層結(jié)構(gòu)中剪力墻的，對(duì)于尺寸較大或帶洞口的剪力墻，按照子結(jié)構(gòu)的基本思想，由程序自動(dòng)進(jìn)行細(xì)分，然后用靜力凝聚原理將由于墻元的細(xì)分而增加的內(nèi)部自由度消去，從而保證墻元的精度和有限的出口自由度。這種墻元對(duì)剪力墻的洞口(僅考慮矩形洞)的大小及空間位置無(wú)限制，具有較好的適用性。墻元不僅具有墻所在平面內(nèi)剛度，也具有平面外剛度，可以較好地模擬工程中剪力墻的實(shí)際受力狀態(tài)。

    對(duì)于采用空間桿系模型的程序來(lái)說(shuō)，由于此模型假定薄壁桿件的斷面保持平截面，實(shí)際上忽略了各墻肢的次要變形，增大了結(jié)構(gòu)剛度。同一薄壁桿墻肢數(shù)越多，剛度增加越大；薄壁桿越多，剛度增加越大。一方面，對(duì)于剪力墻上的洞口，空間桿系程序只能作為梁來(lái)分析，將實(shí)示結(jié)構(gòu)中連梁對(duì)墻肢的一段連續(xù)約束簡(jiǎn)化為點(diǎn)約束，削弱了結(jié)構(gòu)剛度。連梁越高，則削弱越大；連梁越多，則削弱越大。所以計(jì)算時(shí)對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度是增大還是削弱要看墻肢與連梁的比例。此外， TBSA、TAT等計(jì)算結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層時(shí)誤差較大。因?yàn)閺膶?shí)際結(jié)構(gòu)來(lái)看，剪力墻與轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的連接是線連接(不考慮墻厚的話)，實(shí)際作用于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的力是不均勻分布力，而桿系模型只能簡(jiǎn)化為一集中力與一彎矩。另一方而，由于一個(gè)薄壁柱只有通過(guò)剪刀傳遞力與位移，所以在處理多墻肢薄壁柱轉(zhuǎn)換時(shí)十分麻煩。如將剪心與下層柱相連，則令轉(zhuǎn)換梁過(guò)于危險(xiǎn)，如設(shè)置實(shí)際并不存在的計(jì)算洞令力傳至轉(zhuǎn)換梁又會(huì)改變上層墻體的變形協(xié)調(diào)條件。

    (2)從計(jì)算準(zhǔn)確性的角度進(jìn)行比較。軟件計(jì)算準(zhǔn)確性與其計(jì)算模型相關(guān)，其中SAP84是最為精確的，其單元類(lèi)型非常豐富，而且能夠?qū)�結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力、動(dòng)力等多種計(jì)算。最為關(guān)鍵的是，使用SAP84時(shí)能根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑�其�?jì)算模型最為接近實(shí)際情況。板墻元把剪力墻簡(jiǎn)化為一個(gè)膜單元+邊梁+邊柱，基本上是一個(gè)由平面單元經(jīng)改造成的空間單元。剪力墻洞口問(wèn)部分模型化為一個(gè)梁?jiǎn)卧�，削弱了剪力墻�?shí)際的變形協(xié)調(diào)關(guān)系。板殼元既有平面內(nèi)剛度也有平面外剛度，且剪力墻洞口問(wèn)部分也作為墻元進(jìn)行整體分析，因此板殼墻元更能精確地分析復(fù)雜剪力墻結(jié)構(gòu)。

    (3)結(jié)構(gòu)主體計(jì)算程序的適用性與易用性比較。TBSA用空問(wèn)桿系計(jì)算的梁、柱、斜柱是準(zhǔn)確的；剪力墻作為薄壁桿件考慮，適用于開(kāi)洞比較規(guī)則，上下樓層剪力墻截面變化不大的情況，在洞口上下層錯(cuò)開(kāi)較多、框支剪支墻的情況，則是近似的。此外，TBSA程序是依據(jù)高規(guī)編制的，主要適用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其活荷載按滿布進(jìn)行計(jì)算，TBSA程序相應(yīng)不考慮活荷載的不利布置。TBSA在用于低層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮活荷載不利布置對(duì)梁彎矩的增大。

    TAT可用來(lái)計(jì)算高層和多層的框架、框架一剪力墻和剪力墻結(jié)構(gòu)，適用于平面和立面體型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)適用于計(jì)算一般多層民用建筑及工業(yè)廠房。TAT善于處理高層建筑中多塔、錯(cuò)層等特種結(jié)構(gòu)，其中包括大底盤(pán)上部高塔，或上部或中部連接下部多塔情況，對(duì)多塔、錯(cuò)層信息的判斷是程序根據(jù)建筑模型智能自動(dòng)生成的，這一點(diǎn)與TBSA不同。TAT完成建筑結(jié)構(gòu)在恒、活、風(fēng)、地震作用下的內(nèi)力計(jì)算和地震作用計(jì)算，完成荷載效應(yīng)組合，并對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)完成截面配筋計(jì)算，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度穩(wěn)定的驗(yàn)算。TAT還可完成多、高層鋼結(jié)構(gòu)或鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)的計(jì)算，程序?qū)λ�平支撐、斜支撐、斜柱等均作了考慮。TAT和TAT—D接力運(yùn)行作超高層建筑的動(dòng)力時(shí)程分析，與FEQ接力對(duì)框支結(jié)構(gòu)局部作高精度有限元分析，對(duì)厚板接力厚板轉(zhuǎn)換層的計(jì)算。TAT計(jì)算后可經(jīng)全樓歸并接力PK畫(huà)梁柱施工圖，接力JLQ完成剪力墻施工圖，用PMCAD完成結(jié)構(gòu)平面圖，接力各基礎(chǔ)CAD模塊傳導(dǎo)基礎(chǔ)荷載完成基礎(chǔ)的計(jì)算和繪圖。 TAT計(jì)算所需的全部幾何信息和荷載信息是從PMCAD建立的真實(shí)建筑模型中自動(dòng)提取生成的，使用戶(hù)的操作得到盡可能的簡(jiǎn)化。

    SATWE是專(zhuān)門(mén)為多、高層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而研制的空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。SATWE所需的幾何信息和荷載信息全部都從PMCAD建立的建筑模型中自動(dòng)提取生成，并且有墻元和彈性樓板單元自動(dòng)劃分、多層、錯(cuò)層、信息自動(dòng)生成功能，可妥善處置上下洞口任意排布弧墻等復(fù)雜情況，大大簡(jiǎn)化了用戶(hù)操作。這種計(jì)算模型對(duì)剪力墻洞口的空間布置無(wú)限制，允許上下層洞口不對(duì)齊，也適用于計(jì)算框支剪力墻轉(zhuǎn)換層等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元可大大計(jì)算的自由度，并成功地在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)快速高精度計(jì)算。SATWE適用于高層和多層鋼筋混凝土框架、框架一剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu)；以及高層鋼結(jié)構(gòu)或鋼——混凝土混合結(jié)構(gòu)。SATWE考慮了多、高層建筑中多塔、錯(cuò)層、轉(zhuǎn)換層及樓板局部開(kāi)大洞等特殊結(jié)構(gòu)形式。SATWE可完成建筑結(jié)構(gòu)在恒、活、風(fēng)、地震力作用下的內(nèi)力分析、動(dòng)力時(shí)程分析及荷載效應(yīng)組合計(jì)算，可進(jìn)行活荷不利布置計(jì)算，并可將上部結(jié)構(gòu)和地下室作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可完成截面配筋計(jì)算，對(duì)鋼構(gòu)件可作截面驗(yàn)算。SATWE完成計(jì)算后，可經(jīng)全樓歸并接力PK繪梁、柱施工圖，并可為各類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件提供設(shè)計(jì)荷載。

    從綜合性能來(lái)蛻，PKPM系列的SATWE軟件是最好的，其主要優(yōu)點(diǎn)在于能適應(yīng)目前復(fù)雜的結(jié)構(gòu)計(jì)算要求，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量小；計(jì)算中心可考慮多種因素，施工圖出圖方便。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)