专题文章
发布时间：2023-05-30
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【摘要】：随着建筑行业的快速发展，尤其高层、超高层建筑的出现，采用手算的建筑结构分析模式已经难以满足建筑发展的要求，而计算机技术的提高，使得计算机结构分析软件用于建筑结构的分析中成为一种必然的趋势。本文针对几种常用的结构分析软件作了简要的分析与比较。 近些年,随着计算机的飞速发展,有限元软件的开发也是日新月异。特别是随着人们对结构分析的精确性和高端性的追求,越来越多的国内外有限元软件被结构工程师所采用。目前国内建筑结构领域常使用的计算软件有:PKPM、ETABS、SAP2000、MIDAS、GSSAP、MIDAS、ROBOT、STAADPRO、EASY、ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、MARC、LS-DYNA等。这么多软件在实际使用中怎么选择呢?其实,每个软件都有其独到之处,针对计算工程的不同特点,可以选择不同的分析软件,有时候可以起到事半功倍的效果。本文就几种常见的结构软件作了介绍比较。 PKPM系列结构软件是由中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部开发的,简便易用,且整个软件系列自成体系,后期升级服务做的比较到位,故是目前国内应用最为广泛的结构软件。PKPM的主体计算程序是TAT和SATWE。 TAT其构件均是采用的空间杆系单元,属于结构空间分析的第一代程序,其中剪力墙采用的是空间薄壁杆单元，梁柱则采用的是简化空间杆单元。在其形成单刚后再引入楼板的无限刚性假设,加入刚性楼板的位移协调矩阵,这就大大的减少了结构的自由度。 SATWE提供了梁元,等截面圆弧性曲梁单元,柱元,杆元,墙元,弹性楼板单元(包括矩形薄壳和三角形单元)和厚板单元(包括四节点等参厚板单元和三角形厚板单元)。SATWE还在此基础上面加入了墙元,引入了弹性楼板的假设与楼板分块刚性的假设,更加能够适应了复杂的结构。另外,通过与JCCAD的联合,还能够实现基础——上部结构的整体协同计算。最新的PKPM版本又做了很多改进,PM建模可以直接读建筑(APM)建模也可以读CAD,在CFG中转复杂空间建模(原来只在PMSAP,STS中有),合并建模操作,实现原来PMCAD1,2,3合并为一,整合原来PM2楼板操作移到PM1自动生成楼板,自动按本层信息生成板厚楼板,半透明显示(可选)板洞,透明显示仍可布错层板可做任意形状的楼板洞悬挑板,可以自己选择楼板宽度及形状,可以选择任意截面。集中统一输入所有荷载,所有计算软件可以共同读入。增加了吊车荷载,修改材料强度。突破了层模型限制,灵活布置构件。全楼统一轴网改为各标准层独立轴网。任何一层柱能与其它层相接多种斜梁布置错层斜梁,梁往下接,碰到什么就可以和什么连接(要有节点)且力能传递,不必加虚柱(解决了以前斜屋面的问题)增加异形柱截面(可以自己画截面)增加异形梁的截面类型,可做变截面等等。 其中ETABS是针对多高层建筑结构开发的。ETABS对国内的软件行业起到了里程碑式的作用。也是ETABS让人们对结构分析提出了更高的要求,比如弹塑性分析等。ETABS集成了荷载计算、静动力分析、线性和非线性计算等所有计算分析为一体,容纳了最新的静力、动力、线性和非线性分析技术,计算快捷,分析结果合理可靠,其权威性和可靠性得到了国际上业界的一致肯定。ETABS除一般高层结构计算功能外,还可以计算钢结构、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结构非线性计算(Pushover,Buckiing,施工顺序加载等)甚至可以计算结构基础隔震问题,功能非常强大,几乎涵盖了结构工程师的所有要求。 SAP2000则专注于空间结构,比如网壳类、析架类、不规则结构等,开发者希望不能用ETABS实现的就可以SAP2000来实现。SAP2000的前身一SAP84在90年代进入中国,就对中国空间结构分析带来了新的模式。和ETABS一样,SAP2000对中国建筑结构领域软件的冲击也很大,因为在SAP2000进入中国的时候业内没有类似可以进行空间结构建模与分析的软件。在当时SAPZ000算是填补了一个空白。现在SAP2000更新了很多版本,增加了很多功能,比如中国规范校核等。 MIDAS是韩国的一套结构设计软件,是业内的后起之秀。可以进行多高层及空间结构的建模与分析,也可以进行中国规范校核。MIDAS主要是进行线性分析,同时也可以进行对只受拉单元、只受压单元、P一Delta、大变形的几何非线性分析。MIDAS的结构分析软件由基本的线性分析功能和非线性分析功能构成,也包括在实际分析中所必要的很多功能。其实,MIDAS进来的很晚,记得05、06年MIDAS用户还不是很多,但是近几年他们在销售上花了很多心思,07年一套才卖3万多块,可以讲是中国的市场他们是势在必得。现在MIDAS的用户已经非常多了,而且软件的更新也很快。是一套很不错的软件。 由于结构计算软件存在着一定的适用性、 局限性和近似性,在计算输出的结果中可能存在部分构件或部位内力异常的情况, 尤其是对于复杂结构。在实际应用中应根据不同的工程情况来选用不同的程序。TAT和SATWE分别设计几栋短肢剪力墙结构,同一建筑两种程序计算结果相差约5%--30%,导致这一结果的主要原因是薄壁杆件模型存在以下两个缺点:1.没有考虑剪力墙的剪切变形。2.变形不协调。在实际工程中则主要是看墙肢与连梁的比例对结构刚度的影响,本文不再赘述。曾用PⅢ800机型计算一栋19层办公楼框剪结构,使用TAT程序计算大约用时十几分钟,而使用SATWE程序计算,并将其中两块相对刚度较小的楼板假定为弹性楼板,还将程序默认的墙元划分缩小了一倍以提高计算精度,结果用时近20个小时,对照TAT计算结果相差无几,因此，对程序的选择并不是模型越精确越好,应具体工程具体分析,当然这也是得靠大量的计算结果分析比较才能具备的经验。 因此，针对结构软件的选择，在此列出了一些不同结构情况如何的选择结构软件，以作为参考：对于多高层结构的设计优先选择PKPM、ETABS，也可以选择SAP200O、MIDAS；对于空间结构的设计优先选择SAP2000、MIDAS；对于动力弹塑性分析可采用ETABS(多高层)、SAP20OO、MIDAS.综合来讲,PKPM系列中的SATWE是最好的,主要优点在于:能适应复杂的结构计算要求,数据准备工作量小,计算中可考虑多种因素,施工图出图方便。 在对结构软件进行选择时，我们要知道，结构软件由于其计算模型的局限性，自身有许多基本的假定，因此使得计算的模型与实际的结构存在一定的差异，这就要求我们不能够完全的依赖于结构计算软件，要根据实际的情况及模型的缺陷对计算结果进行调整。 随着计算机结构分析软件的广泛应用和普及,它在使人们的工作效率得以大幅度的提高的同时。人们对结构计算软件的依赖性也越来越大,由于种种原因,目前的结构计算软件总是存在着一定的局限性、适用性和近似性,并非万能。所以尽信计算软件是不可取的,结构工程师应对所用计算软件的基本假定、力学模型及其适用范围有所较为清晰的了解,保证力学模型和实际情况最大的符合,才可用于工程的设计。
