常用結構分析軟件的比較

陳煒  路軍君

中國建筑技術集團有限公司中南分公司

    當前設計院結構專業在進行鋼筋混凝土設計時，一般都采用結構分析軟件進行計算。本文結合工程實踐，從設計人員的角度對現有的結構分行軟件的選擇及使用等問題提出了自己的看法。

1、現有結構分析軟件的分析和比較

    (1)結構分析軟件的模型及其優缺點。TAT和TBSA屬于結構空間分析的第一代程序，其結構采用空間桿系單元，其中梁、柱、斜柱采用簡化的空間桿件，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調距陣，引入了樓板無限剛性假設，大大減少了，結構自由度。SATWE、TBWE和TBSAP在空間桿系基礎上加人了墻元，SATWE和TBSAP還加入了樓板分塊剛性假設與彈性樓板假設，更能適應復雜的結構。

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

    對于采用空間桿系模型的程序來說，由于此模型假定薄壁桿件的斷面保持平截面，實際上忽略了各墻肢的次要變形，增大了結構剛度。同一薄壁桿墻肢數越多，剛度增加越大；薄壁桿越多，剛度增加越大。一方面，對于剪力墻上的洞口，空間桿系程序只能作為梁來分析，將實示結構中連梁對墻肢的一段連續約束簡化為點約束，削弱了結構剛度。連梁越高，則削弱越大；連梁越多，則削弱越大。所以計算時對實際結構的剛度是增大還是削弱要看墻肢與連梁的比例。此外， TBSA、TAT等計算結構轉換層時誤差較大。因為從實際結構來看，剪力墻與轉換結構的連接是線連接(不考慮墻厚的話)，實際作用于轉換結構的力是不均勻分布力，而桿系模型只能簡化為一集中力與一彎矩。另一方而，由于一個薄壁柱只有通過剪刀傳遞力與位移，所以在處理多墻肢薄壁柱轉換時十分麻煩。如將剪心與下層柱相連，則令轉換梁過于危險，如設置實際并不存在的計算洞令力傳至轉換梁又會改變上層墻體的變形協調條件。

    (2)從計算準確性的角度進行比較。軟件計算準確性與其計算模型相關，其中SAP84是最為精確的，其單元類型非常豐富，而且能夠對結構進行靜力、動力等多種計算。最為關鍵的是，使用SAP84時能根據結構的實際情況進行單元劃分，其計算模型最為接近實際情況。板墻元把剪力墻簡化為一個膜單元+邊梁+邊柱，基本上是一個由平面單元經改造成的空間單元。剪力墻洞口問部分模型化為一個梁單元，削弱了剪力墻實際的變形協調關系。板殼元既有平面內剛度也有平面外剛度，且剪力墻洞口問部分也作為墻元進行整體分析，因此板殼墻元更能精確地分析復雜剪力墻結構。

    (3)結構主體計算程序的適用性與易用性比較。TBSA用空問桿系計算的梁、柱、斜柱是準確的；剪力墻作為薄壁桿件考慮，適用于開洞比較規則，上下樓層剪力墻截面變化不大的情況，在洞口上下層錯開較多、框支剪支墻的情況，則是近似的。此外，TBSA程序是依據高規編制的，主要適用于高層建筑結構設計，其活荷載按滿布進行計算，TBSA程序相應不考慮活荷載的不利布置。TBSA在用于低層建筑結構設計時，應考慮活荷載不利布置對梁彎矩的增大。

    TAT可用來計算高層和多層的框架、框架一剪力墻和剪力墻結構，適用于平面和立面體型復雜的結構形式，同時適用于計算一般多層民用建筑及工業廠房。TAT善于處理高層建筑中多塔、錯層等特種結構，其中包括大底盤上部高塔，或上部或中部連接下部多塔情況，對多塔、錯層信息的判斷是程序根據建筑模型智能自動生成的，這一點與TBSA不同。TAT完成建筑結構在恒、活、風、地震作用下的內力計算和地震作用計算，完成荷載效應組合，并對鋼筋混凝土結構完成截面配筋計算，對鋼結構進行強度穩定的驗算。TAT還可完成多、高層鋼結構或鋼一混凝土混合結構的計算，程序對水平支撐、斜支撐、斜柱等均作了考慮。TAT和TAT—D接力運行作超高層建筑的動力時程分析，與FEQ接力對框支結構局部作高精度有限元分析，對厚板接力厚板轉換層的計算。TAT計算后可經全樓歸并接力PK畫梁柱施工圖，接力JLQ完成剪力墻施工圖，用PMCAD完成結構平面圖，接力各基礎CAD模塊傳導基礎荷載完成基礎的計算和繪圖。 TAT計算所需的全部幾何信息和荷載信息是從PMCAD建立的真實建筑模型中自動提取生成的，使用戶的操作得到盡可能的簡化。

    SATWE是專門為多、高層結構分析與設計而研制的空間組合結構有限元分析軟件。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提取生成，并且有墻元和彈性樓板單元自動劃分、多層、錯層、信息自動生成功能，可妥善處置上下洞口任意排布弧墻等復雜情況，大大簡化了用戶操作。這種計算模型對剪力墻洞口的空間布置無限制，允許上下層洞口不對齊，也適用于計算框支剪力墻轉換層等復雜結構。在殼元基礎上凝聚而成的墻元可大大計算的自由度，并成功地在微機上實現快速高精度計算。SATWE適用于高層和多層鋼筋混凝土框架、框架一剪力墻、剪力墻結構；以及高層鋼結構或鋼——混凝土混合結構。SATWE考慮了多、高層建筑中多塔、錯層、轉換層及樓板局部開大洞等特殊結構形式。SATWE可完成建筑結構在恒、活、風、地震力作用下的內力分析、動力時程分析及荷載效應組合計算，可進行活荷不利布置計算，并可將上部結構和地下室作為一個整體進行分析，對鋼筋混凝土結構可完成截面配筋計算，對鋼構件可作截面驗算。SATWE完成計算后，可經全樓歸并接力PK繪梁、柱施工圖，并可為各類基礎設計軟件提供設計荷載。

    從綜合性能來蛻，PKPM系列的SATWE軟件是最好的，其主要優點在于能適應目前復雜的結構計算要求，數據準備工作量小；計算中心可考慮多種因素，施工圖出圖方便。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)