高層建筑結構計算軟件的計算模型與應用探討

李 青

目前，在結構設計中，大量的手工計算被計算機所代替。結構專業(yè)輔助設計軟件很多，僅高層建筑結構設計計算軟件就有:中國建筑科學研究院高層所編制的TBSA，TBWE;中國建筑科學研究院結構所編制的TAT，SATWE;清華大學建筑設計研究院編制的TUS/ADBW;中國建筑科學研究院抗震所編制的CTAB;北京大學力學系編制的SAP84;美國CSI公司編制的ETABS等等不勝枚舉?，F(xiàn)就國內(nèi)研究，目前最流行的TBSA，TBWE，TUS/ADBW做以比較，供廣大設計人員參考。首先，讓我們了解一下高層建筑結構內(nèi)力分析和配筋計算程序的發(fā)展過程:

20世紀70年代～80年代初，計算機容量很小，運算速度很低，采取單片平面框架進行計算，這種粗略的計算方法只適用于平面和體型簡單規(guī)則的框架，而且手工工作量很大。80年代初開始采用空間協(xié)同工作的分析方法，將高層建筑結構劃分為若干片正交或斜交的平面抗側力結構。對任一方向的水平荷載和水平地震力，所有正交或斜交的平面抗側力結構均參加工作，由空間位移協(xié)調(diào)條件進行水平力的分配。由于是人為的劃分平面結構進行分析，必然存在一些問題，主要是適用范圍受到限制，同一柱(墻)分別屬于縱向或橫向框架，軸向力計算值不一樣存在軸向變形不協(xié)調(diào)的問題。近年來，高層建筑結構計算向國際接軌，參照國際流行的有限元分析軟件Super SAP92力學模型，基于殼元、墻組元理論的空間組合結構有限元分析軟件應運而生。

1 TBSA軟件計算模型及特點

1987年，中國建筑科學研究院高層所編制的高層建筑結構計算軟件TBSA，首次提出桿件—薄壁桿系三維空間體系理論這種方法。將高層建筑結構視為桿件(梁、柱)和薄壁桿件(墻)的集合，空間桿件每端有6個自由度，薄壁桿件有7個自由度(多1個截面翹曲角)。根據(jù)符拉索夫的薄壁理論導出薄壁柱的單剛矩陣。對于梁、柱采用有限單元法空間桿件理論形成其剛度矩陣，考慮剪切變形的影響，薄壁柱不考慮剪切變形的影響。按矩陣位移法直接由單元剛度形成總剛度矩陣后求解。引進的基本假設是樓板在其平面內(nèi)剛度無限大，每一樓層有3個公共自由度，即兩個方向的側移和繞結構形心的轉角。

該軟件的另一突破是由傳統(tǒng)的手工填表方式改為交互式輸入方式，程序自動導荷載，免去設計人員手工計算荷載之繁瑣。該軟件前后處理方法堪稱結構計算機輔助設計的楷模，現(xiàn)在開發(fā)的軟件，前后處理方法幾乎都以它為范本。由于當時微機硬件條件所限，該軟件還考慮了分段計算，采用分塊技術及建立數(shù)據(jù)文件管理系統(tǒng)，各塊之間相互關聯(lián)又相互獨立，程序中斷再恢復功能。

2 TBWE軟件計算模型及特點

中國建筑科學研究院高層所編制的TBWE是大型機高層計算程序SATS的微機改進版。對于梁、柱采用空間桿件進行分析，對于剪力墻TBWE用墻組元代替SATA中的薄壁柱元。所謂墻組元指在層高范圍內(nèi)，連接在一起的一組墻稱為一個墻組。墻組截面可以是開口截面、閉口截面或半開半閉截面。墻組元從外觀上與薄壁柱元類似，但對受力和變形狀態(tài)的描述卻有根本的不同。薄壁柱不考慮剪切變形的影響，墻組元考慮剪切變形的影響，用截面任意參考點P的兩個水平位移Ux，Uy和截面扭轉角δ，以及各節(jié)點的豎向位移W1，W2…描述變形狀態(tài)。未知量的個數(shù)隨節(jié)點數(shù)增加而增加，是不固定的。墻組元直接采用豎向位移作為未知量，多點直接傳力變形協(xié)調(diào)對截面應力狀態(tài)描述直觀，具有一般有限元的優(yōu)點。計算假定:樓板在其平面內(nèi)無限剛性。

3 TUS/ADBW軟件計算模型及特點

清華大學建筑設計研究院編制的TUS/ADBW軟件采用板梁墻模型，這種模型把洞口或有較小洞口的一片剪力墻模型化為一個Panel單元、把有較大洞口的一片剪力墻模型化為一個由板—梁組成的板—梁體系，即把洞口兩側部分作為兩個Panel單元，上下層剪力墻洞口之間部分作為一根連系梁。Panel單元由核心板、邊梁和邊柱三部分組成。另外還有中國建筑科學研究院結構所編制的TAT軟件及中國建筑科學研究院結構所編制的SATWE軟件，受篇幅所限，本人沒有對該軟件與SATWE軟件進行實例比較的條件，在此不做詳細評述。

4 結語

近年來，國內(nèi)分析高層建筑結構的計算軟件主要采用三種模型，這三種模型在分析梁柱時都采用空間桿單元，最主要的區(qū)別在于如何分析剪力墻。這三種模型分別為薄壁桿模型、一般有限元模型、板—梁墻元模型。薄壁桿模型即以上所述的TBSA，TAT軟件，適用于各種平面布置、未知量少、對稱規(guī)則的結構，其計算精度足夠，對分析高度較大，結構布置是豎向布置規(guī)則的高層結構(筒中筒、框筒結構等)，這種模型被公認是較理想的模型。TBSA，TAT軟件的前后處理功能強、操作簡單、分析效率高，是目前我國用戶最多的結構分析軟件。但用于分析高度較低、結構布置復雜，這種模型存在一些缺點:主要是薄壁桿理論不考慮剪切變形的影響，不能反映剪力滯后現(xiàn)象、高估剪力墻的剛度，當結構布置復雜時變形不協(xié)調(diào)，不考慮樓板彈性變形影響。在以下集中情況下，用薄壁桿件模型分析時有一些誤差:剪力墻豎向布置變化較大;有較多長而矮的剪力墻;剪力墻墻肢連接復雜;剪力墻洞口上下不對齊;有框肢剪力墻;有較大集中荷載作用。

清華大學建筑設計研究院編制的TUS/ADBW軟件，計算速度相對較快，結構自由度較少，且較薄壁柱模型更精確。存在問題:對于復雜工程特別是剪力墻洞口上下不對齊、不等寬時，為使上下層之間的單元角點變形協(xié)調(diào)，計算單元有可能被劃分的又細又長，造成單元剛度奇異，使分析結果失真。

因此建議設計人員對于規(guī)則的結構可采用薄壁柱模型的程序(TBSA或TAT)進行計算分析，復雜的結構采用殼元模型(SATWE)進行計算分析。板—梁墻模型的性能介于上述兩種模型之間。

建設部明文規(guī)定，重要的高層結構計算時，至少用兩種不同的模型軟件進行計算。本文可供設計人員進行高層設計時參考。

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