建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件動(dòng)力時(shí)程分析功能比較

周樹峰 徐 港 鮑 浩 趙 鵬

（三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002）

地震反應(yīng)分析方法主要分為靜力法、反應(yīng)譜法、擬靜力法和時(shí)程分析法等，其中時(shí)程分析法能反映地面運(yùn)動(dòng)各種成分、特性及持時(shí)的影響，計(jì)算出整個(gè)地震過程中結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和受力狀態(tài)，精確細(xì)致地暴露結(jié)構(gòu)的薄弱部位，揭示結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)破壞的部位、破壞過程及破壞原因，是最為精確的一種方法.近年來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提高，時(shí)程分析法計(jì)算耗時(shí)的不足得到有效改善，該法的應(yīng)用已越來越普遍，所以目前有影響的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中均已嵌入結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析模塊，但采用不同軟件進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，在數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算精度、輸出功能以及操作的便利性等各方面尚存在較大差異，為此本文通過具體算例較為全面地比較分析了PKPM／SATWE、MIDAS／Building及ETABS軟件在時(shí)程分析功能方面的異同，并給出了具體意見，希望能為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考.

1 工程概況

本文所采用的分析模型為11層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑總高為36.6m，第1層為3.6m，2～11層為3.3m；室內(nèi)外高差為0.45m.柱截面尺寸為600 mm×600mm，700mm×700mm；框架梁截面尺寸300mm×800mm，350mm×800mm；樓面恒載為4.48kN／m2，樓面活載為2kN／m2；樓層邊梁恒載為8.736kN／m2.按7度（0.15g）抗震設(shè)防，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地特征周期為0.35 s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，梁、柱的受力主筋HRB335，箍筋為HPB300，結(jié)構(gòu)布置平面圖如圖1所示.

圖1 結(jié)構(gòu)布置平面圖

2 前處理比較

2.1 建模方面的便利性

SATWE、MIDAS／building和ETABS中，除了PKPM是二維建模，其他均是三維建模，但是MIDAS／Building中顯示的界面比較友好，操作更靈活，相比而言，ETBAS的操作相對(duì)就要麻煩一些，菜單隱藏的比較深，對(duì)于新手，不太容易上手，而PKPM則介于兩者之間.3種軟件在前處理方面有很大的不同，其難易程度為ETABS＞PKPM＞Midas／Building.目前MIDAS／building和ETABS支持Excel的圖形復(fù)制工作，解決了軟件版本之間的不兼容問題.

2.2 地震波的選取

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，輸入不同的地震波會(huì)有不同的地震反應(yīng)，因此，地震波的選擇要滿足一定的條件［1］.根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［2］規(guī)定：應(yīng)按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選取實(shí)際地震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其中實(shí)際地震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)量的2／3.對(duì)輸入的地震加速度所產(chǎn)生的地震反應(yīng)也要滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］的要求，即每條時(shí)程曲線所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%，同時(shí)時(shí)程分析選用的地震波需滿足以下頻譜特性：特征周期與場(chǎng)地特征周期接近；最大峰值符合規(guī)范要求；持續(xù)時(shí)間為結(jié)構(gòu)第一周期的5～10倍并且不少于15s；時(shí)程波對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜在結(jié)構(gòu)周期上（主振型）與規(guī)范反應(yīng)譜相差不大于20%.選擇滿足這些條件的地震波才能模擬結(jié)構(gòu)在真正地震作用下地震反應(yīng)［4］.

本文選用Madis／Building推薦的110－10－m、Sfs－48－w及obg－270－w三條地震波和人工波進(jìn)行時(shí)程分析，各條地震波加速度時(shí)程曲線如圖2～7所示.

圖2 110－10－m波地震加速度曲線

圖3 Sfs－48－w波加速度時(shí)程曲線

圖4 人工波X向加速度時(shí)程曲線

圖5 obg－270－w波加速度時(shí)程曲線

圖6 人工波Y向加速度時(shí)程曲線

圖7 地震影響系數(shù)曲線（X）

比較所選各地震波與規(guī)范反應(yīng)譜法的地震影響系數(shù)曲線，如圖7以及表1（通過MIDAS／Buiding所計(jì)算得到的時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線的誤差都在規(guī)范允許的范圍內(nèi)）可以看出選擇的地震波在統(tǒng)計(jì)意義上基本相符［5］.

表1 地震影響系數(shù)誤差

在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，PKPM、ETABS只能通過相關(guān)規(guī)范，程序推薦選擇地震波，但是可供選擇的地震波數(shù)量太少，而在MIDAS／Building中程序提供了大量的地震波，供相關(guān)設(shè)計(jì)人員選用.另外程序分析完成后，PKPM、MIDAS／Building中會(huì)顯示選擇的地震波影響系數(shù)曲線是否滿足“在統(tǒng)計(jì)意義上相符”這個(gè)條件的數(shù)據(jù)參考，在ETABS只顯示分析結(jié)果.

2.3 分析時(shí)間的設(shè)置

由《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》知，時(shí)程分析采用的地震波，持續(xù)時(shí)間為結(jié)構(gòu)第一周期的5～10倍并且不少于15s，一般在計(jì)算的時(shí)候，為了減少計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，選10～15s就夠了［6］，然而在MIDSA／Building中提供了時(shí)間段選擇的功能，ETABS中卻只能通過導(dǎo)出地震波進(jìn)行截?cái)嗟姆椒ㄟM(jìn)行比較計(jì)算分析，SATWE卻不能導(dǎo)出地震波，只能通過其他軟件生成的地震波進(jìn)行導(dǎo)入截?cái)嗟姆椒ㄓ?jì)算，這為工程人員帶來了極大的不便利.

3 分析過程與結(jié)果比較

結(jié)構(gòu)分析的過程中可以發(fā)現(xiàn)，SATWE采用振型疊加法時(shí)明顯計(jì)算的時(shí)間較快.從整體的計(jì)算分析來看，MIDAS和ETABS運(yùn)行線彈性時(shí)程分析時(shí)需要從起始點(diǎn)開始，所需的時(shí)間較多，這就造成了每次要調(diào)整地震波時(shí)，會(huì)造成很大的時(shí)間浪費(fèi).而SATWE則是分塊進(jìn)行的，時(shí)間較短，便于地震波的選擇.

3.1 自振周期

從表2可以看出，周期計(jì)算的結(jié)果，在低階振型中，SATWE＞ETABS＞MIDAS／Building.造成這些差異的原因主要是：SATWE中考慮了梁柱重疊部分剛域之后并不扣除重疊部分的質(zhì)量.從而可以確定出SATWE計(jì)算的周期結(jié)果會(huì)比其他兩種軟件大一些.

表2 結(jié)構(gòu)周期比較 （單位：s）

3.2 地震作用效應(yīng)

MIDAS／Building中輸入的各種波的最大層間位移角值偏大.剪力之比為MIDAS／Building＞ETABS＞SATWE，如表3及圖8～9所示.但總體來講，時(shí)程分析所得的最大層間位移角均小于反應(yīng)譜法的結(jié)果.

表3 時(shí)程分析結(jié)果比較

圖8 樓層最大位移曲線（ETABS、SATWE同樣）

圖9 樓層最大剪力曲線（ETABS、SATWE同樣）

圖8～9分別為MIDAS／Building計(jì)算的最大樓層位移曲線和樓層剪力曲線，3條加速度時(shí)程曲線所得的最大樓層位移和樓層剪力的平均值幾乎均在振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果之內(nèi).每條加速度時(shí)程曲線在3個(gè)軟件中計(jì)算所得的基底剪力均大于65%的振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果，3條時(shí)程曲線計(jì)算所得X向樓層最大剪力，Y向樓層最大剪力曲線的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值也大于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%.ETABS和SATWE也同樣.因此，所選擇的地震加速度時(shí)程曲線基本能夠滿足規(guī)范的要求.從表3還可以看出，同一烈度、同一水準(zhǔn)的不同波輸入時(shí)，以110－10－m波輸入時(shí)結(jié)構(gòu)最大層間位移角和基底剪力反應(yīng)最大，與obg－270－w波相比差異較大，這說明輸入波的頻譜特性對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)的影響相當(dāng)明顯.

3.3 樓層位移

3種軟件計(jì)算的位移結(jié)果反應(yīng)在結(jié)構(gòu)的下部樓層相差不大，上部樓層的離散性較大.在X向地震波作用下，ETABS模型的上部樓層位移最大，SATWE次之.在人工波Y向作用下，3種軟件計(jì)算的位移相差不大.然而，在Y向地震波obg－270－w、Sfs－48－w作 用下，SATWE模型的上部樓層位移最小，如圖10所示.

圖10 基于不同軟件地震波樓層位移

3.4 樓層剪力

從人工波中發(fā)現(xiàn)，部分軟件模型有剪力突變現(xiàn)象，如圖11所示.一般來說，正常的層剪力的變化趨勢(shì)是隨層高的增加，剪力值逐漸減?。ㄒ话阒感≌鹎闆r下），但也可能會(huì)出現(xiàn)剪力突變的情況，可能是由于結(jié)構(gòu)的布置不規(guī)則，剛度發(fā)生突變以及行波效應(yīng)等；模型中做彈性時(shí)程分析時(shí)，剪力出現(xiàn)一定的突變，主要發(fā)生在4、5層和6、7層的位置，并且變化的趨勢(shì)并不是特別的明顯，整體來說還是比較好的，但是結(jié)構(gòu)破壞的趨勢(shì)就是在4、5層和6、7層會(huì)先發(fā)生較大位移的破壞，如果在大震下分析的話，這種變化會(huì)更明顯，而這里由于人工波的地震數(shù)據(jù)相比其它地震波要大一些，所以得出的結(jié)果更明顯一些.

圖11 基于不同軟件地震波樓層剪力

從圖11中還可以看出每種軟件對(duì)選取的地震波計(jì)算結(jié)果的影響是比較大的.其中與規(guī)范所采用的加速度時(shí)程曲線符合越好的地震波，3種軟件計(jì)算的結(jié)果差異越小.

3.5 計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性

從計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性來看，PKPM基于中國(guó)規(guī)范，適合中國(guó)的國(guó)情，MIDAS／Building是結(jié)合了通用有限元程序和土木、建筑領(lǐng)域?qū)Ｓ贸绦虻墓δ芗皟?yōu)點(diǎn)，并且與中國(guó)規(guī)范的結(jié)合比較緊密.ETABS不能出計(jì)算書，但是ETABS歷史較長(zhǎng)，計(jì)算內(nèi)核的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性是眾所周知的，計(jì)算的內(nèi)力比較準(zhǔn)確.后面兩種軟件的計(jì)算結(jié)果都和SATWE的結(jié)果基本吻合，說明在超限審查中，用MIDAS／Building，ETABS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，對(duì)PKPM計(jì)算結(jié)果具有很好的參考價(jià)值.

3.6 結(jié)果差異分析

軟件分析結(jié)果存在差異有3方面的原因：1）結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)方面存在一些差異，比如截面特性、材料特性、考慮結(jié)構(gòu)的恒荷載計(jì)算和計(jì)算結(jié)果整理方面以及人為因素等等；2）計(jì)算方法的差異，由于SATWE中線彈性時(shí)程分析采用振型疊加法［7］計(jì)算而 MIDAS／Building采用直接積分法，ETABS則采用振型疊加法和直接積分法相結(jié)合［8］的方法計(jì)算，所以三者之間必定會(huì)存在一定的差距.3）MIDAS／Building中地震波采取的是從中間截取一段地震波作為結(jié)構(gòu)的激勵(lì)響應(yīng)，而ETABS和SATWE中采用的是完整的地震波，這必定會(huì)給結(jié)果造成一定的影響.

3.7 后處理的難易程度

在查詢結(jié)果操作方面：MIDAS／Building顯示的數(shù)據(jù)比較直接，較易查詢，PKPM顯示的圖像比較直觀，容易判別結(jié)果是否滿足規(guī)范的要求.在后處理結(jié)果輸出方面仍有一些差別存在，ETABS相比于其他兩種軟件，不能出施工圖和計(jì)算書，這為后續(xù)的彈塑性分析留下了遺憾.在MIDAS／Building中程序提供了非常豐富的后處理項(xiàng)目，如提供超筋超限信息，提供專家校審功能和校審報(bào)告等.后處理3種軟件從難到易的順序?yàn)椋篍TABS＞PKPM＞MIDAS／Building.

4 結(jié) 語

1）本文通過具體算例較為全面地比較分析了PKPM／SATWE、MIDAS／Building及ETABS軟件在時(shí)程分析功能方面的異同，得出MIDAS／Building在前處理中建模，選波和調(diào)波方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，并且提供了豐富的后處理功能，便于操作人員快速查詢結(jié)果.

2）當(dāng)然上述觀點(diǎn)是針對(duì)本文模型而言的，對(duì)于其他高層，特殊建筑物還有待考究.

［1］ 趙伯明，王 挺.高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)程分析的地震波輸入［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（6）：1111－1118.

［2］ 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3－2010［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］ 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011－2010［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［4］ 楊 溥，賴 明.結(jié)構(gòu)時(shí)程分析法輸入地震波的選擇控制指標(biāo)［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2000（6）：33－37.

［5］ 楊志勇，黃吉鋒，邵 弘.彈性與彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析方法中若干問題探討［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009（S1）：213－217.

［6］ 李傳松.對(duì)時(shí)程分析中地震波輸入的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)［J］.安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（6）：98－100.

［7］ 多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間單元分析與設(shè)計(jì)軟件（墻元模型）用戶手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑科學(xué)研究院，2010.

［8］ 北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院編.ETABS中文版使用指南［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.