建筑結(jié)構(gòu)常用超限分析軟件及計(jì)算結(jié)果對(duì)比研究

張文松

（深圳市筑裕新科技發(fā)展有限公司，廣東深圳 518000）

1 計(jì)算分析軟件介紹

1.1 盈建科結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件

YJK結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件是結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析的常用軟件之一，擁有著強(qiáng)大的建模及計(jì)算功能，該特點(diǎn)對(duì)于初學(xué)者較為友好，即結(jié)構(gòu)建模和荷載輸入多維度化，可實(shí)現(xiàn)二維和三維的自由切換、兩者緊密結(jié)合又相輔相成，從而使建模更加方便、直觀、易學(xué)、高并被廣泛推廣到復(fù)雜建筑模型的建模應(yīng)用中。YJK結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件主要有以下幾大功能模塊，包括建模、上部結(jié)構(gòu)計(jì)算、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)。其擁有Etabs 2017、ABAQUS、MIDAS、SAUSAGE等計(jì)算模型接口[1]，為不同軟件之間計(jì)算模型到計(jì)算模型的轉(zhuǎn)換提供了可能性，這一點(diǎn)對(duì)于需要至少采用兩種不同的力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)超限計(jì)算分析而言，大大提供了便利。新版本的YJK2.0提出了一種新的有限元墻單元自動(dòng)劃分方法；多塔結(jié)構(gòu)自動(dòng)劃分；風(fēng)荷載計(jì)算更加精確。

該程序可應(yīng)用于各種類型的工業(yè)和民用建筑工程，包括框架、框架剪力墻、剪力墻、框架筒、復(fù)合材料各種高層建筑、結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、特殊結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)等，用于復(fù)雜高層建筑中的多塔結(jié)構(gòu)和上部連接體結(jié)構(gòu)、加筋層、轉(zhuǎn)換層、組團(tuán)室、地下室等結(jié)構(gòu)類型設(shè)計(jì)。

1.2 ETABS 2017

目前鋼結(jié)構(gòu)這種長細(xì)比較大的線型構(gòu)件或者接近線型的桁架式構(gòu)件用ETABS軟件計(jì)算比較多，其建模方便，操作界面簡(jiǎn)單易學(xué)，基本都是指令性操作，根據(jù)相關(guān)指令即可完成建模，除此之外，也可通過CAD制圖軟件導(dǎo)入軸網(wǎng)或者平面圖，通過平面圖中不同的圖層顏色來控制定義不同的構(gòu)件而形成基本框架，再在基本框架基礎(chǔ)上，添加其他復(fù)雜構(gòu)件，進(jìn)而形成計(jì)算模型。ETABS是一個(gè)較為完善且易于使用的面向?qū)ο蟮姆治觥⒃O(shè)計(jì)、優(yōu)化、制圖和加工數(shù)字環(huán)境、分析和設(shè)計(jì)功能的結(jié)構(gòu)計(jì)算和有限元分析軟件[2]。

ETABS具有強(qiáng)大的單元庫，水平構(gòu)件比如說混凝土樓板、豎向構(gòu)件比如說剪力墻都能準(zhǔn)確模擬，計(jì)算速度也較快，后處理模塊查看計(jì)算和分析結(jié)果也較方便，因此在工程上和科研院校應(yīng)用較多。

1.3 SAUSAGE分析軟件

CSI公司研發(fā)的MIDAS、SAFE等分析軟件功能強(qiáng)大，各行各業(yè)均有應(yīng)用，但近年來，我國自主研發(fā)的有限元計(jì)算計(jì)算軟件也逐漸受到設(shè)計(jì)人員和學(xué)者的關(guān)注，并有所應(yīng)用。SAUSAGE分析軟件[3]就是一個(gè)比較好的例子，由廣州某公司研發(fā)，其特點(diǎn)是：計(jì)算方法新穎，線性和非線性均能較為準(zhǔn)確的計(jì)算，求解器性能高，計(jì)算速度高效。由于建筑結(jié)構(gòu)在大震下變形較大，大都建筑已經(jīng)進(jìn)入彈塑性大變形狀態(tài)，正好SAUSAGE擅長非線性計(jì)算，因此該軟件在大震計(jì)算分析應(yīng)用較多。

成功研發(fā)并經(jīng)過工程設(shè)計(jì)人員和學(xué)者的大量測(cè)試，已經(jīng)證實(shí)該軟件可用于大震計(jì)算分析及性能水準(zhǔn)、性能目標(biāo)的評(píng)估，滿足國內(nèi)抗震規(guī)范對(duì)性能化設(shè)計(jì)的這一基本需求，并且與國際上同類分析軟件保持同等先進(jìn)的水平，應(yīng)用價(jià)值高。這也是對(duì)我國設(shè)計(jì)研發(fā)人員的一種激勵(lì)和肯定。

2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

本文以某工程設(shè)計(jì)實(shí)例為例，該工程項(xiàng)目為學(xué)校，分為教學(xué)樓和宿舍樓，教學(xué)樓為框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)6層，高度約23m，宿舍樓結(jié)構(gòu)為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，樓層14層，高度45.55m，帶大底盤，大底盤設(shè)兩層地下室?？拐鹪O(shè)防烈度為Ⅶ度（0.15g），場(chǎng)地類別Ⅱ類，基本風(fēng)壓值0.75kN/m2，地面粗糙度類別C類。以YJK計(jì)算軟件進(jìn)行建模并計(jì)算，部分計(jì)算數(shù)據(jù)如下：扭轉(zhuǎn)位移比u為1.48，大于規(guī)范值1.2；結(jié)構(gòu)層次屬于多塔結(jié)構(gòu)；宿舍樓三樓為轉(zhuǎn)換層，豎向構(gòu)件不連續(xù)，按照《廣東省超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查實(shí)施細(xì)則》，該結(jié)構(gòu)已超限，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)超限分析。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010）[4]第3.6.6條、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）[5]規(guī)范第5.1.12條要求：體型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜以及B級(jí)高度高層建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用至少兩個(gè)不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行整體計(jì)算。本文以小震計(jì)算分析內(nèi)容為例，分別采用YJK計(jì)算分析軟件和ETABS計(jì)算分析軟件對(duì)案例結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析，并比較周期比、基底剪力、扭轉(zhuǎn)位移比、傾覆力矩、層間位移角等結(jié)構(gòu)重要指標(biāo)，以驗(yàn)證各軟件計(jì)算結(jié)果是否具有一致性和有效性。

2.1 周期比

根據(jù)規(guī)范[5]要求，扭轉(zhuǎn)第一周期和平動(dòng)第一周期之比不能大于0.90，采用YJK和ETABS模型分別計(jì)算，YJK模型計(jì)算結(jié)果為平動(dòng)第一周期為0.98s，扭轉(zhuǎn)第一周期為0.85s，周期比為0.86，振型質(zhì)量參與系數(shù)X方向和Y方向分別為90.29%和92.18%。ETABS模型計(jì)算結(jié)為平動(dòng)第一周期為0.94s，扭轉(zhuǎn)第一周期為0.84s，周期比為0.89，振型質(zhì)量參與系數(shù)X方向和Y方向分別為90.03%和91.15%，二者計(jì)算結(jié)果較為接近且均能滿足規(guī)范的要求，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 宿舍樓YJK和ETABS周期對(duì)比

2.2 基底剪力

基底剪力計(jì)算時(shí)，小震作用采用規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算，風(fēng)荷載按50年一遇風(fēng)壓計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 宿舍樓地震和風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)基底剪力

YJK模型計(jì)算結(jié)果如下：小震作用下X方向基底剪力值為21513kN，Y方向基底剪力值為18575kN，風(fēng)荷載作用下X方向基底剪力值為3601kN，Y方向基底剪力值為5891kN。

ETABS模型計(jì)算結(jié)果如下：小震作用下X方向基底剪力值為20004kN，Y方向基底剪力值為19977kN，風(fēng)荷載作用下X方向基底剪力值為3871kN，Y方向基底剪力值為5890kN。

對(duì)比以上結(jié)果可知，兩者計(jì)算結(jié)果吻合較好，且X方向風(fēng)荷載遠(yuǎn)小于小震，Y方向風(fēng)荷載小于小震，以小震作用為控制荷載。

2.3 傾覆力矩

傾覆計(jì)算時(shí)，小震作用同樣采用規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算，風(fēng)荷載按50年一遇風(fēng)壓計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 宿舍樓地震和風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)傾覆力矩

YJK模型計(jì)算結(jié)果如下：小震作用下X方向傾覆力矩值為769964kN·m，Y方向傾覆力矩值為639479kN·m，風(fēng)荷載作用下X方向傾覆力矩值為134091kN·m，Y方向傾覆力矩值為215350kN·m。

ETABS模型計(jì)算結(jié)果如下：小震作用下X方向傾覆力矩值為800157kN·m，Y方向傾覆力矩值為799077kN·m，風(fēng)荷載作用下X方向傾覆力矩值為154844kN·m，Y方向傾覆力矩值為235604kN·m。

對(duì)比以上結(jié)果可知，兩者計(jì)算結(jié)果吻合較好，且根據(jù)規(guī)范[5]要求，部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)框支框架承擔(dān)的底層地震傾覆力矩不宜大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%，兩種軟件計(jì)算所得模型底層框支框架部分承擔(dān)的地震傾覆彎矩百分比均值X向?yàn)榧s34.1%，Y向?yàn)榧s45.2%，滿足規(guī)范限值要求。

2.4 層間位移角

計(jì)算層間位移角時(shí)，按照規(guī)范[5]規(guī)定進(jìn)行小震計(jì)算和50年一遇風(fēng)荷載風(fēng)壓計(jì)算，計(jì)算模型中采用剛性樓板假定。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 宿舍樓地震和風(fēng)荷載作用下層間位移角

YJK模型計(jì)算結(jié)果如下：小震作用下最大層間位移角在X方向?yàn)?/1827，最大值位于第7層，最大層間位移角在Y方向?yàn)?/1320，最大值位于第13層；風(fēng)荷載作用下最大層間位移角在X方向?yàn)?/9999，出最大值位于第7層。最大層間位移角在Y方向?yàn)?/6473，最大值位于第12層。

ETABS模型計(jì)算結(jié)果如下：小震作用下最大層間位移角在X方向?yàn)?/1696，最大值位于在第7層，最大層間位移角在Y方向?yàn)?/1501，最大值位于在第13層；風(fēng)荷載作用下最大層間位移角X方向?yàn)?/12580，最大值位于在第7層，最大層間位移角在Y方向?yàn)?/6590，最大值位于第12層。

YJK和EYABS計(jì)算風(fēng)荷載及地震作用下最大層間位移角相近，且都小于1/800，滿足規(guī)范要求。

2.5 扭轉(zhuǎn)位移比

由于主要抗側(cè)力構(gòu)件布置與X和Y方向基本平行，角度小于15度，因此只要計(jì)算X和Y方向在偶然偏心率和±5%的情況下的扭轉(zhuǎn)位移比。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 宿舍樓扭轉(zhuǎn)位移比

YJK模型計(jì)算結(jié)果：在+5%偶然偏心率時(shí)，X方向和Y方向最大扭轉(zhuǎn)位移比分別為1.23和1.37，最大值分別位于第4層和第3層。在-5%偶然偏心率時(shí)，X方向和Y方向最大扭轉(zhuǎn)位移比分別為1.33和1.29，分別位于第14層和第13層。

ETABS模型計(jì)算結(jié)果：在±5%偶然偏心率時(shí)X方向最大扭轉(zhuǎn)位移比均為1.12，位于第5層，在±5%偶然偏心率時(shí)Y方向最大扭轉(zhuǎn)位移比均為1.27，位于第3層。

對(duì)比結(jié)果可知，兩個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，且結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比均小于1.5，滿足規(guī)范要求。

綜上所述，YJK、ETABS在周期比、基底剪力、傾覆力矩、層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比等結(jié)果重要指標(biāo)方面，兩者計(jì)算結(jié)果吻合良好，說明兩者具有相近的計(jì)算規(guī)則和方法，可以滿足規(guī)范對(duì)于體型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜以及B級(jí)高度高層建筑結(jié)構(gòu)要求兩個(gè)不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行整體計(jì)算這一基本規(guī)定，為后續(xù)中震下結(jié)構(gòu)計(jì)算和大震下結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果對(duì)比提供支撐，以此分析結(jié)果對(duì)超限結(jié)構(gòu)相關(guān)部位和重要構(gòu)件設(shè)計(jì)提供建議和指導(dǎo)。

3 結(jié)語

隨著現(xiàn)代技術(shù)和人工智能化的發(fā)展，結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件更新迭代速度加快，更綜合更復(fù)雜的計(jì)算分析軟件也會(huì)隨之增多，但在使用新一代計(jì)算分析軟件的計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)之前，建議對(duì)不同計(jì)算分析軟件之間的計(jì)算結(jié)果做一個(gè)對(duì)比，并做出判定，確認(rèn)安全可靠后再指導(dǎo)設(shè)計(jì)，以避免濫用計(jì)算軟件，用失真不可靠的結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)偏于不安全。

上文所述各軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比是有必要的，并驗(yàn)證了YJK和ETABS計(jì)算分析軟件在小震作用下的計(jì)算結(jié)果具有一致性和有效性。