建筑結構常用超限分析軟件及計算結果對比研究

張文松

（深圳市筑裕新科技發展有限公司，廣東深圳 518000）

1 計算分析軟件介紹

1.1 盈建科結構計算軟件

YJK結構計算軟件是結構工程設計人員進行結構設計及計算分析的常用軟件之一，擁有著強大的建模及計算功能，該特點對于初學者較為友好，即結構建模和荷載輸入多維度化，可實現二維和三維的自由切換、兩者緊密結合又相輔相成，從而使建模更加方便、直觀、易學、高并被廣泛推廣到復雜建筑模型的建模應用中。YJK結構計算軟件主要有以下幾大功能模塊，包括建模、上部結構計算、基礎設計、砌體結構設計、施工圖設計。其擁有Etabs 2017、ABAQUS、MIDAS、SAUSAGE等計算模型接口[1]，為不同軟件之間計算模型到計算模型的轉換提供了可能性，這一點對于需要至少采用兩種不同的力學模型的結構超限計算分析而言，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劃分方法；多塔結構自動劃分；風荷載計算更加精確。

該程序可應用于各種類型的工業和民用建筑工程，包括框架、框架剪力墻、剪力墻、框架筒、復合材料各種高層建筑、結構、鋼結構、特殊結構、砌體結構等，用于復雜高層建筑中的多塔結構和上部連接體結構、加筋層、轉換層、組團室、地下室等結構類型設計。

1.2 ETABS 2017

目前鋼結構這種長細比較大的線型構件或者接近線型的桁架式構件用ETABS軟件計算比較多，其建模方便，操作界面簡單易學，基本都是指令性操作，根據相關指令即可完成建模，除此之外，也可通過CAD制圖軟件導入軸網或者平面圖，通過平面圖中不同的圖層顏色來控制定義不同的構件而形成基本框架，再在基本框架基礎上，添加其他復雜構件，進而形成計算模型。ETABS是一個較為完善且易于使用的面向對象的分析、設計、優化、制圖和加工數字環境、分析和設計功能的結構計算和有限元分析軟件[2]。

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

1.3 SAUSAGE分析軟件

CSI公司研發的MIDAS、SAFE等分析軟件功能強大，各行各業均有應用，但近年來，我國自主研發的有限元計算計算軟件也逐漸受到設計人員和學者的關注，并有所應用。SAUSAGE分析軟件[3]就是一個比較好的例子，由廣州某公司研發，其特點是：計算方法新穎，線性和非線性均能較為準確的計算，求解器性能高，計算速度高效。由于建筑結構在大震下變形較大，大都建筑已經進入彈塑性大變形狀態，正好SAUSAGE擅長非線性計算，因此該軟件在大震計算分析應用較多。

成功研發并經過工程設計人員和學者的大量測試，已經證實該軟件可用于大震計算分析及性能水準、性能目標的評估，滿足國內抗震規范對性能化設計的這一基本需求，并且與國際上同類分析軟件保持同等先進的水平，應用價值高。這也是對我國設計研發人員的一種激勵和肯定。

2 計算結果對比分析

本文以某工程設計實例為例，該工程項目為學校，分為教學樓和宿舍樓，教學樓為框架結構，結構6層，高度約23m，宿舍樓結構為部分框支剪力墻結構，樓層14層，高度45.55m，帶大底盤，大底盤設兩層地下室。抗震設防烈度為Ⅶ度（0.15g），場地類別Ⅱ類，基本風壓值0.75kN/m2，地面粗糙度類別C類。以YJK計算軟件進行建模并計算，部分計算數據如下：扭轉位移比u為1.48，大于規范值1.2；結構層次屬于多塔結構；宿舍樓三樓為轉換層，豎向構件不連續，按照《廣東省超限高層建筑工程抗震設防專項審查實施細則》，該結構已超限，需進行結構超限分析。

《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB 50011—2010）[4]第3.6.6條、《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）[5]規范第5.1.12條要求：體型復雜、結構布置復雜以及B級高度高層建筑結構，應采用至少兩個不同力學模型的結構分析軟件進行整體計算。本文以小震計算分析內容為例，分別采用YJK計算分析軟件和ETABS計算分析軟件對案例結構模型進行計算分析，并比較周期比、基底剪力、扭轉位移比、傾覆力矩、層間位移角等結構重要指標，以驗證各軟件計算結果是否具有一致性和有效性。

2.1 周期比

根據規范[5]要求，扭轉第一周期和平動第一周期之比不能大于0.90，采用YJK和ETABS模型分別計算，YJK模型計算結果為平動第一周期為0.98s，扭轉第一周期為0.85s，周期比為0.86，振型質量參與系數X方向和Y方向分別為90.29%和92.18%。ETABS模型計算結為平動第一周期為0.94s，扭轉第一周期為0.84s，周期比為0.89，振型質量參與系數X方向和Y方向分別為90.03%和91.15%，二者計算結果較為接近且均能滿足規范的要求，計算結果如表1所示。

表1 宿舍樓YJK和ETABS周期對比

2.2 基底剪力

基底剪力計算時，小震作用采用規范反應譜計算，風荷載按50年一遇風壓計算。計算結果如表2所示。

表2 宿舍樓地震和風荷載作用下結構基底剪力

YJK模型計算結果如下：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模型計算結果如下：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。

對比以上結果可知，兩者計算結果吻合較好，且X方向風荷載遠小于小震，Y方向風荷載小于小震，以小震作用為控制荷載。

2.3 傾覆力矩

傾覆計算時，小震作用同樣采用規范反應譜計算，風荷載按50年一遇風壓計算。計算結果如表3所示。

表3 宿舍樓地震和風荷載作用下結構傾覆力矩

YJK模型計算結果如下：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模型計算結果如下：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。

對比以上結果可知，兩者計算結果吻合較好，且根據規范[5]要求，部分框支剪力墻結構框支框架承擔的底層地震傾覆力矩不宜大于結構總地震傾覆力矩的50%，兩種軟件計算所得模型底層框支框架部分承擔的地震傾覆彎矩百分比均值X向為約34.1%，Y向為約45.2%，滿足規范限值要求。

2.4 層間位移角

計算層間位移角時，按照規范[5]規定進行小震計算和50年一遇風荷載風壓計算，計算模型中采用剛性樓板假定。計算結果如表4所示。

表4 宿舍樓地震和風荷載作用下層間位移角

YJK模型計算結果如下：小震作用下最大層間位移角在X方向為1/1827，最大值位于第7層，最大層間位移角在Y方向為1/1320，最大值位于第13層；風荷載作用下最大層間位移角在X方向為1/9999，出最大值位于第7層。最大層間位移角在Y方向為1/6473，最大值位于第12層。

ETABS模型計算結果如下：小震作用下最大層間位移角在X方向為1/1696，最大值位于在第7層，最大層間位移角在Y方向為1/1501，最大值位于在第13層；風荷載作用下最大層間位移角X方向為1/12580，最大值位于在第7層，最大層間位移角在Y方向為1/6590，最大值位于第12層。

YJK和EYABS計算風荷載及地震作用下最大層間位移角相近，且都小于1/800，滿足規范要求。

2.5 扭轉位移比

由于主要抗側力構件布置與X和Y方向基本平行，角度小于15度，因此只要計算X和Y方向在偶然偏心率和±5%的情況下的扭轉位移比。計算結果如表5所示。

表5 宿舍樓扭轉位移比

YJK模型計算結果：在+5%偶然偏心率時，X方向和Y方向最大扭轉位移比分別為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，X方向和Y方向最大扭轉位移比分別為1.33和1.29，分別位于第14層和第13層。

ETABS模型計算結果：在±5%偶然偏心率時X方向最大扭轉位移比均為1.12，位于第5層，在±5%偶然偏心率時Y方向最大扭轉位移比均為1.27，位于第3層。

對比結果可知，兩個軟件計算結果基本一致，且結構扭轉位移比均小于1.5，滿足規范要求。

綜上所述，YJK、ETABS在周期比、基底剪力、傾覆力矩、層間位移角、扭轉位移比等結果重要指標方面，兩者計算結果吻合良好，說明兩者具有相近的計算規則和方法，可以滿足規范對于體型復雜、結構布置復雜以及B級高度高層建筑結構要求兩個不同力學模型的結構分析軟件進行整體計算這一基本規定，為后續中震下結構計算和大震下結構計算結果對比提供支撐，以此分析結果對超限結構相關部位和重要構件設計提供建議和指導。

3 結語

隨著現代技術和人工智能化的發展，結構計算軟件更新迭代速度加快，更綜合更復雜的計算分析軟件也會隨之增多，但在使用新一代計算分析軟件的計算結果指導工程設計之前，建議對不同計算分析軟件之間的計算結果做一個對比，并做出判定，確認安全可靠后再指導設計，以避免濫用計算軟件，用失真不可靠的結果指導設計，使設計偏于不安全。

上文所述各軟件計算結果對比是有必要的，并驗證了YJK和ETABS計算分析軟件在小震作用下的計算結果具有一致性和有效性。