高层建筑结构计算软件的分析比较_黄志斌

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工程设计ＣＡＤ与智能建筑 ２００２（８）７４本文涉及常用高层建筑结构分析软件按剪力墙模型分类如下：１．薄壁杆件模型：ＰＫＰＭ／ＴＡＴ、ＴＢＳＡ、ＧＳＣＡＤ／ＳＳ２．板－梁墙元模型：ＥＴＡＢＳ、ＴＵＳ／ＡＤＢＷ、ＢＳＳＡＤ、ＥＴＳ４３．墙组元模型：ＴＢＳＡ／ＴＢＷＥ、ＧＳＣＡＤ／ＳＳＷ４．板壳墙元模型：ＰＫＰＭ／ＳＡＴＷＥ、ＴＢＳＡ／ＴＢＳＡＰ、ＳＡＰ８４、ＳＴＡＡＤⅢ、ＳＡＰ２０００、ＳｕｐｅｒＳＡＰ、ＡＮＳＹＳ１ 高层结构分析软件的类型及模型（按剪力墙模型）近年来国内外流行的钢筋混凝土高层建筑结构计算软件中，应用较多的剪力墙模型主要有下列四种：１．１ 薄壁杆件模型这种利用开口薄壁杆件理论建立的三维杆系有限元分析模型的基本假定为：（１）在小变形条件下，杆件截面外形轮廓线在其自身平面内保持刚性，即不变形；在出平面方向（杆轴方向）可以翘曲；（２）杆件平面上的剪应变为零，即认为相交于某点的母线与外轮廓线变形后仍保持相互垂直关系。由于采用空间杆系单元的模型以薄壁杆单元模拟工程中的剪力墙，其中梁、柱均采用简化的空间杆单元，因此其优点是自由度少，分析效率高。但是，薄壁杆件模型也存在明显的缺陷：（１）薄壁杆件两条基本假定的限制，由于第一条假定的限制，以薄壁杆件理论为基础研制的软件不能考虑楼板的弹性变形的影响，而只能采用楼板平面内无限刚假定；第二条假定忽略了剪切变形影响。对于复杂连接的剪力墙，高估了其刚度；（２）用连梁单元模拟上下层剪力墙洞口间的部分，并用刚臂把连梁单元与薄壁杆件的形心或剪心连接起来，这样的结构模型与结构原形相差甚远，造成连梁单元内力严重失真；（３）当剪力墙连接复杂，洞口不对齐，有较大集中荷载等情况存在时，不满足薄壁杆件理论的基本假定及几何要求，分析时会有一定的误差。ＴＡＴ（中国建研院　ＰＫＰＭ　ＣＡＤ工程部）、ＴＢＳＡ（中国建研院高层室）、ＳＳ（广东省建筑设计研究院ＧＳＣＡＤ）作为薄壁杆件模型代表性软件，针对高度较大、结构布置（特别是剪力墙布置）比较规则的结构计算是比较理想的，计算精度足以满足工程设计要求。但是由于在形成单刚后再加入刚性楼板的位移协调矩阵，引入了楼板无限刚性假设，没有考虑剪力墙的剪切变形，造成变形不协调。当结构模型中出现拐角刚域时，截面的翘曲自由度（对应的杆端力为双力矩）不连续，就会造成误差。这样由于假定薄壁杆件的断面保持平截面，实际上又忽略了各墙肢的次要变形，增大了结构刚度。同一薄壁杆墙肢数越多，刚度增加越大；薄壁杆越多，刚度增加越大。另一方面，对于剪力墙上的洞口，空间杆系程序只能作为梁进行分析，将实际结构中连梁对墙肢的一段连续约束简化为点约束，削弱了结构刚高层建筑结构计算软件的分析比较黄志斌浙江省建筑设计研究院【摘要】现有高层建筑结构计算分析软件中，对剪力墙和楼板的模型化假定，直接决定了高层建筑结构计算模型的选择，同时也影响了其计算结果的精度和可信度。本文在参阅国内外最新资料的基础上，结合笔者数年来使用各种结构计算软件的体会，重点分析了目前国内外较常用的高层结构计算软件的特点及其采用的模型，使大家能了解各种计算分析软件之间因力学模型假定不同而导致的计算结果的差异，以便在工程设计中能根据工程实际特点正确选用分析模型。同时比较各计算程序的适用性和易用性。【关键词】高层建筑 结构计算软件 剪力墙模型DOI:10.13655/j.cnki.ibci.2002.08.025工程设计ＣＡＤ与智能建筑 ２００２（８）产业传真

７５度。连梁越高，则削弱越大；连梁越多，则削弱越大。所以计算时对实际结构的刚度是增大还是削弱要看墙肢与连梁的比例。另外这类软件计算结构转换层时，因为剪力墙与转换结构的连接是线连接（不考虑墙厚的话），作用于转换结构的力是不均匀分布力，而杆系模型只能简化为一个集中力和一个弯矩，使得这些软件在分析转换层时误差较大。同时由于一个薄壁柱只有通过剪心传递力与位移，所以在处理多墙肢薄壁柱转换时十分麻烦，如将剪心与下层柱相连，则令转换梁过于危险，如果设置实际并不存在的计算洞令力传至转换梁又会改变上层墙体的变形协调条件。总而言之，对高度较低或结构布置比较复杂的结构，薄壁杆件模型并不理想。１．２ 板－梁墙元模型（又称Ｗｉｌｓｏｎ嵌板单元模型）这种模型在国外应用较多。其实质是平面单元，把剪力墙简化为一个膜单元（或称板单元）＋边梁＋边柱，基本上是一个由平面单元经改造成的空间单元。剪力墙洞口间部分模型化为一个梁单元，削弱了剪力墙原型的变形协调关系，由前一段的讨论可知这种单元导致整体计算结果偏柔。在有限元中，平板单元的出平面刚度为零，因而板－梁单元无法精确地模拟剪力墙的出平面刚度，导致整体结构刚度变小。这种模型是以膜元或板元、边柱和层间处刚性梁来模拟层高范围内的一片剪力墙。其代表性软件有：ＥＴＡＢＳ（美国ＣＳＩ公司），ＴＵＳ／ＡＤＢＷ（清华大学），ＢＳＳＡＤ（浙江省建筑设计院），ＥＴＳ４（中国建研院计算中心）等。这类软件计算模型把无洞口或有较小洞口的一片剪力墙化为一个单元，把有较大洞口的一片剪力墙化为一个由板单元和连系梁组成的板－梁体系。板－梁墙元的引进使剪力墙的几何描述和前处理得到简化，避免了剪力墙单元的划分，使得自由度数有所减少，分析效率也得到提高。但是，板－梁墙元模型是按“柱线”把剪力墙划分成一个个板单元的，为使变形协调，“柱线”从上至下应对齐，并且贯通，然而当剪力墙洞口不对齐（不等宽），或者各层与剪力墙搭接的梁平面有变化时，将导致“柱线”又密又多，增加了许多板单元，使板单元又细又长，尺寸效应影响最后的计算结果。１．３ 墙组元模型采用墙组元的结构计算软件有ＴＢＷＥ（中国建研院高层室）、ＳＳＷ（广东省建筑设计研究院ＧＳＣＡＤ）。这些软件采用的墙组元实际上是一种改进的薄壁杆件模型，它与普通的薄壁杆件模型的不同之处在于：１．不强求剪力墙为开口截面，可以分析闭口及半开半闭截面；２．其杆件未知位移取为杆端截面的横向位移和各节点的纵向位移，单元数目随墙肢节点数增加而增加，不象普通薄壁杆件那样固定为１４个，从而保证了杆件的位移协调；３．采用最小势能原理，建立考虑剪力墙剪切变形的总势能表达式，建立考虑剪切变形的单元刚度矩阵。墙组元实际上是一种介于薄壁杆件单元和连续体有限元之间的分析单元。１．４ 板壳墙元模型这种模型分为空间壳元和在壳元基础上经静力凝聚而成的超单元──板壳墙元两种形式来模拟剪力墙。由于剪力墙既承受水平荷载作用，又承受竖向荷载作用，而它本身既有平面内刚度，又有平面外刚度，故从有限元目前的发展水平来看，用壳元模拟剪力墙在某些建筑是比较接近实际受力情况。以空间壳元模拟剪力墙的代表性软件有：ＳＵＰＥＲＳＡＰ（美国ＡＩＳ公司）、ＳＡＰ２０００（美国ＣＳＩ公司）、ＡＮＳＹＳ（美国ＡＮＳＹＳ公司）。这些均为优秀的通用有限元分析软件，但由于它们前处理功能弱（数据交互图形输入功能不是为土木结构专业设计的，剪力墙单元自动划分难度大），后处理功能也不够（没有考虑建筑结构专业特点），难以让结构设计人员接受。ＡＮＳＹＳ软件作为通用有限元软件，在结构分析中有着灵活的应用。首先，他可实现对结构的整体分析，任意设定荷载工况，并可完成复杂的荷载工况组合；在整体分析的同时，也可对感兴趣的细部加密网络，得到较为精确的细部结果。也可将本工程感兴趣的细部单独建模，将结构整体分析的结果引入细部模型。也可将本工程感兴趣的细部单独建模，将结构整体分析的结果引入细部模型，将得到满意的计算结果。其次，ＡＮＳＹＳ软件软件可以实现各种复杂的计算假定，可使计算结果更接近结构实际情况。以板壳墙元模拟剪力墙的代表性软件有：产业传真

工程设计ＣＡＤ与智能建筑 ２００２（７）７６ＳＴＡＡＤⅢ（美国ＲＥＩ公司）、ＳＡＰ８４（北京大学）、ＳＡＴＷＥ（中国建研院ＰＫＰＭ　ＣＡＤ工程部）和ＴＢＳＡＰ（中国建研院高层室）等。由于板壳墙元既有平面内刚度也有平面外刚度，且剪力墙洞口间部分也可以作为墙元进行整体分析，因此板壳墙元更能精确地分析复杂剪力墙结构。以最为典型的ＳＡＴＷＥ为例：为了克服壳元模型中剪力墙单元划分的困难，ＰＫＰＭ　ＣＡＤ工程部在研制高层建筑结构空间有限元分析软件ＳＡＴＷＥ过程中，引进了ＳＡＰ８４的墙元概念，创建了在四节点等参平面薄壳单元的基础上凝聚而成的壳元墙元，该薄壳是平面应力膜和板的迭加，有六个自由度，三个为膜自由度，另三个为板弯曲自由度。这不仅简化了剪力墙的几何描述，解决了剪力墙单元自动划分问题，而且通过子结构技术，减少了结构总自由度数，提高了分析效率，从而确保了ＳＡＴＷＥ的实用性。同时ＳＡＴＷＥ也对楼板的模型简化给予了足够的重视，引进了弹性楼板单元来描述弹性楼板。通过以三角形薄壳单元，矩形薄壳单元和四节点等参平面薄壳单元模拟普通的弹性楼板单元，加上以三角形厚板单元和四节点等参厚板单元模拟转换层厚板单元，使得多塔、错层结构、楼板局部开大洞及特殊楼板结构的分析都能够得到精度保证。２ 高层结构分析软件的适用性与易用性比较２．１ 适用性（功能）从适用性（功能）的角度，按强到弱排列依次为：ＥＴＡＢＳ＞ＳＡＰ８４＞ＳＡＴＷＥ、ＴＢＳＡＰ＞ＴＢＷＥ、ＧＳＣＡＤ、ＴＵＳ＞ＴＡＴ、ＴＢＳＡ。ＥＴＡＢＳ除一般高层计算功能外，还可计算钢构、钩、顶、弹簧、结构阻尼运动、斜板、变截面梁或腋梁等特殊构件和一定的结构非线性变形；ＳＡＰ８４原本是一个通用有限元程序，后来为结构分析的需要加入了墙元等专用单元，其单元库最为完备，功能强大，但不具备非线性计算功能；ＳＡＴＷＥ和ＴＢＳＡＰ应属于同一档次的软件，都能进行楼板和剪力墙的有限元分析，适应工程的能力强，而ＴＢＷＥ、ＧＳＣＡＤ和ＴＵＳ则差一些，不能进行弹性楼板计算；ＴＡＴ、ＴＢＳＡ由于处理剪力墙能力差而使适用范围受限制。２．２ 易用性从易用性的角度来看，按好到差的顺序排列应为：ＴＵＳ、ＥＴＡＢＳ＞ＳＡＴＷＥ、ＴＡＴ＞ＴＢＳＡＰ、ＴＢＷＥ、ＴＢＳＡ＞ＧＳＣＡＤ、ＳＡＰ８４。这是由于ＴＵＳ的图形界面在ＡｕｔｏＣＡＤ下开发，较之其它国内开发的高层计算程序的图形界面更加良好；ＥＴＡＢＳ　集成了数据交互图形输入功能和后处理，是在完全Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下开发的专业软件；ＰＫＰＭ图形界面是建立在自主版权的图形环境ＣＦＧ下，自成一体，虽然带有ＤＯＳ下的影子，但已被用户所接受；ＴＢＳＡ系列Ｗｉｎｄｏｗｓ图形界面ＴＢＤＡＴ研发时间不长，故还不够完善，但已摆脱原来修改结构平面后影响原有荷载的困境；ＧＳＣＡＤ和ＳＡＰ８４图形输入则较为麻烦，但在图形交互输入上的改进已能满足工程设计要求。２．３ 综合性能ＳＡＰ８４在软件计算结果的准确性上是最为精确的，其单元类型库非常丰富，能够对结构进行静力、动力等多种计算，而且ＳＡＰ８４还可以根据结构的实际情况进行单元划分，计算模型最为接近实际结构。ＴＢＳＡＰ提供的单元除了常用的杆单元、梁柱单元外，还提供了用以计算板的四边形或三角形壳元、墙元，用以计算厚板转换层的八节点四十八自由度三维元、广义单元，以及进行基础计算用的弹性地基梁单元、弹性地基柱单元、三角形或四边形弹性地基板单元和地基土单元，因而ＴＢＳＡＰ可以对结构进行基础－上部结构－楼板的整体分析。ＧＳＣＡＤ由于广东省建筑设计研究院在异形柱的研究方面有比较成熟的理论而可以直接对异形柱进行计算和绘图。ＧＳＣＡＤ对异形柱的计算是按广州城市建设开发总公司设计院编制的广东省异形柱规程的表格查表而来的，该表格是根据有限元分析的结果编制的。与此不同的是ＴＢＳＡ软件需要将异形柱折算成惯性矩相同的矩形截面柱进行整体分析，取得内力后再进行详细的计算，结果是经过折算的结果只能保证两个参数的正确，其他如截面面积、转动惯量等参数都很难与原构件保持一致。ＴＡＴ、ＳＡＴＷＥ则是参考了多肢剪力墙的配筋方法，在求出作用于形心的弯矩、轴力、剪力后按照材料力学公式分解到异形截面每一关键点的应力，通过积分得到每一段柱肢平面内的弯矩、轴力和剪力，然后以每一直线段柱肢作为一个矩形截面，按对称配筋计算出其钢筋面积。