張文松
(深圳市筑裕新科技發(fā)展有限公司,廣東深圳 518000)
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)。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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)。
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。