高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的計(jì)算模型與應(yīng)用探討

李 青

目前，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大量的手工計(jì)算被計(jì)算機(jī)所代替。結(jié)構(gòu)專業(yè)輔助設(shè)計(jì)軟件很多，僅高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件就有:中國建筑科學(xué)研究院高層所編制的TBSA，TBWE;中國建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所編制的TAT，SATWE;清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院編制的TUS/ADBW;中國建筑科學(xué)研究院抗震所編制的CTAB;北京大學(xué)力學(xué)系編制的SAP84;美國CSI公司編制的ETABS等等不勝枚舉。現(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(shè)計(jì)人員參考。首先，讓我們了解一下高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析和配筋計(jì)算程序的發(fā)展過程:

20世紀(jì)70年代～80年代初，計(jì)算機(jī)容量很小，運(yùn)算速度很低，采取單片平面框架進(jìn)行計(jì)算，這種粗略的計(jì)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(jié)構(gòu)劃分為若干片正交或斜交的平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。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(cè)力結(jié)構(gòu)均參加工作，由空間位移協(xié)調(diào)條件進(jìn)行水平力的分配。由于是人為的劃分平面結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)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(jié)構(gòu)計(jì)算向國際接軌，參照國際流行的有限元分析軟件Super SAP92力學(xué)模型，基于殼元、墻組元理論的空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件應(yīng)運(yùn)而生。

1 TBSA軟件計(jì)算模型及特點(diǎn)

1987年，中國建筑科學(xué)研究院高層所編制的高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jìn)的基本假設(shè)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(cè)移和繞結(jié)構(gòu)形心的轉(zhuǎn)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(dǎo)荷載，免去設(shè)計(jì)人員手工計(jì)算荷載之繁瑣。該軟件前后處理方法堪稱結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(dāng)時微機(jī)硬件條件所限，該軟件還考慮了分段計(jì)算，采用分塊技術(shù)及建立數(shù)據(jù)文件管理系統(tǒng)，各塊之間相互關(guān)聯(lián)又相互獨(dú)立，程序中斷再恢復(fù)功能。

2 TBWE軟件計(jì)算模型及特點(diǎn)

中國建筑科學(xué)研究院高層所編制的TBWE是大型機(jī)高層計(jì)算程序SATS的微機(jī)改進(jìn)版。對于梁、柱采用空間桿件進(jìn)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(diǎn)P的兩個水平位移Ux，Uy和截面扭轉(zhuǎn)角δ，以及各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)直接傳力變形協(xié)調(diào)對截面應(yīng)力狀態(tài)描述直觀，具有一般有限元的優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算假定:樓板在其平面內(nèi)無限剛性。

3 TUS/ADBW軟件計(jì)算模型及特點(diǎn)

清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)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(cè)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(xué)研究院結(jié)構(gòu)所編制的TAT軟件及中國建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)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(jìn)行實(shí)例比較的條件，在此不做詳細(xì)評述。

4 結(jié)語

近年來，國內(nèi)分析高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)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(jié)構(gòu)，其計(jì)算精度足夠，對分析高度較大，結(jié)構(gòu)布置是豎向布置規(guī)則的高層結(jié)構(gòu)(筒中筒、框筒結(jié)構(gòu)等)，這種模型被公認(rèn)是較理想的模型。TBSA，TAT軟件的前后處理功能強(qiáng)、操作簡單、分析效率高，是目前我國用戶最多的結(jié)構(gòu)分析軟件。但用于分析高度較低、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，這種模型存在一些缺點(diǎn):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(dāng)結(jié)構(gòu)布置復(fù)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(fù)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(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院編制的TUS/ADBW軟件，計(jì)算速度相對較快，結(jié)構(gòu)自由度較少，且較薄壁柱模型更精確。存在問題:對于復(fù)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(diǎn)變形協(xié)調(diào)，計(jì)算單元有可能被劃分的又細(xì)又長，造成單元剛度奇異，使分析結(jié)果失真。

因此建議設(shè)計(jì)人員對于規(guī)則的結(jié)構(gòu)可采用薄壁柱模型的程序(TBSA或TAT)進(jìn)行計(jì)算分析，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)采用殼元模型(SATWE)進(jìn)行計(jì)算分析。板—梁墻模型的性能介于上述兩種模型之間。

建設(shè)部明文規(guī)定，重要的高層結(jié)構(gòu)計(jì)算時，至少用兩種不同的模型軟件進(jìn)行計(jì)算。本文可供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行高層設(shè)計(jì)時參考。

［1］ ISBN∶1511214597，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［2］ GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［3］ 黃本才．高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)［M］．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1998．

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［5］ 張錫治，劉文彬．當(dāng)前通用結(jié)構(gòu)分析軟件在建筑結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用［A］．第九屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集［C］．2000．

［6］ 譚俊清．高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究與軟件開發(fā)［D］．西安:西安建筑科技大學(xué)(CNKI:CDMD:2．2001．003441)，2001．

［7］ 華僑大學(xué)土木工程系．高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中的剪力墻模型簡化［J］．福建建筑(CNKI:SUN:FJJZ．0．2002-01-010)，2002(1):42-43．