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静谧与光明
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2018-02-05 17:58:42 | 分类:结构专业 | 标签:结构专业

目前的结构计算程序主要有:PKPM系列(TATSATWE)、TBSA系列(TBSATBWETBSAP)、BSCWGSCAD SAP系列。其他一些结构计算程序如ETABS等,虽然功能强大,且在国外也相当流行,但国内实际上使用的不多,故不做详细讨论。
一、结构计算程序的分析与比较 
  1、结构主体计算程序的模型与优缺点 
从主体计算程序所采用的模型单元来说
  TATTBSA属于结构空间分析的第一代程序,其构件均采用空间杆系单元,其中梁、柱均采用简化的空间杆单元,剪力墙则采用空间薄壁杆单元。在形成单刚后再加入刚性楼板的位移协调矩阵,引入了楼板无限刚性假设,大大减少了结构自由度。 SATWETBWETBSAP在此基础上加入了墙元,SATWETBSAP还加入了楼板分块刚性假设与弹性楼板假设,更能适应复杂的结构。SATWE提供了梁元、等截面圆弧形曲梁单元、柱元、杆元、墙元、弹性楼板单元(包括三角形和矩形薄壳单元、四节点等参薄壳单元)和厚板单元(包括三角形厚板单元和四节点等参厚板单元)。另外,通过与JCCAD的联合,还能实现基础-上部结构的整体协同计算。TBSAP提供的单元除了常用的杆单元、梁柱单元外,还提供了用以计算板的四边形或三角形壳元、墙元、用以计算厚板转换层的八节点四十八自由度三维元、广义单元(包括罚单元与集中单元),以及进行基础计算用的弹性地基梁单元、弹性地基柱单元(桩元)、三角形或四边形弹性地基板单元和地基土元。TBSAP可以对结构进行基础-上部结构-楼板的整体联算。
从计算准确性的角度来说
  SAP84是最为精确的,其单元类型非常丰富,而且能够对结构进行静力、动力等多种计算。最为关键的是,使用SAP84时能根据结构的实际情况进行单元划分,其计算模型是最为接近实际结构。 BSCWGSCAD的情况比较特殊,严格说来这两个程序均是前后处理工具,其开发者并没有进行结构计算程序的开发。但BSCW与其计算程序一起出售,因此有必要提一下。BSCW一直是使用广东省建筑设计研究院的一个框剪结构计算软件,这个程序应属于空间协同分析程序,即结构计算的第二代程序(第一代为平面分析,第二代为空间协同,第三代为空间分析)。GSCAD则可以选择生成SSTBSATAT或是SSW的计算数据。SSSSW均是广东省建筑设计研究院开发的,其中SS采用空间杆系模型,与TBSATAT属于同一类软件;而SSW根据其软件说明来看也具有墙元,但不清楚其墙元的类型,而且此程序目前尚未通过鉴定。 
  
  薄壁杆件模型的缺点是:
   1、没有考虑剪力墙的剪切变形。
   2、变形不协调。
  当结构模型中出现拐角刚域时, 截面的翘曲自由度(对应的杆端力为双力矩)不连续,造成误差。另外由于此模型假定薄壁杆件的断面保持平截面,实际上忽略了各墙肢的次要变形,增大了结构刚度。同一薄壁杆墙肢数越多,刚度增加越大;薄壁杆越多,刚度增加越大。但另一方面,对于剪力墙上的洞口,空间杆系程序只能作为梁进行分析,将实际结构中连梁对墙肢的一段连续约束简化为点约束,削弱了结构刚度。连梁越高,则削弱越大;连梁越多,则削弱越大。所以计算时对实际结构的刚度是增大还是削弱要看墙肢与连梁的比例。
   杆单元点接触传力与变形的特点使TBSATAT等计算结构转换层时误差较大。因为从实际结构来看,剪力墙与转换结构的连接是线连接(不考虑墙厚的话),实际作用于转换结构的力是不均匀分布力,而杆系模型只能简化为一集中力与一弯矩。 
  另一方面,由于一个薄壁柱只有通过剪心传递力与位移,所以在处理多墙肢薄壁柱转换时十分麻烦,如将剪心与下层柱相连,则令转换梁过于危险,如设置实际并不存在的计算洞令力传至转换梁又会改变上层墙体的变形协调条件(不要相信TBSA手册中所言设连梁高为层高可以解决问题,一段连续约束简化成一个点约束,误差决不会小)。
  为了解决薄壁柱单元造成剪力墙分析过于粗糙的问题,ETABSSAP84SATWETBWETUSTBSAP等软件先后引入了墙单元。对于有墙元模型的软件,要分清楚其单元类型。
  墙元有两种:一是板-梁墙元(又称Wilson嵌板单元模型),这种模型在国外应用较多。其实质是平面单元,把剪力墙简化为一个膜单元+边梁+边柱,基本上是一个由平面单元经改造成的空间单元。剪力墙洞口间部分模型化为一个梁单元,削弱了剪力墙实际的变形协调关系,由前一段的讨论可知这种单元导致整体计算结果偏柔;一是由有限元中的四节点空间壳元缩聚而来的(以下称为板壳墙元),板壳元既有平面内刚度也有平面外刚度,且剪力墙洞口间部分也作为墙元进行整体分析,因此板壳墙元更能精确地分析复杂剪力墙结构。以上几种带有墙元的软件中,ETABSTUS采用板-梁墙元,SAP84SATWETBSAP均采用壳墙元。

常用结构软件比较


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