結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析軟件

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析軟件(ruǎnjiàn)介紹----MadebyLRF共四十六頁1、SATWESATWE

中國建筑科學(xué)研究院

PKPMCAD工程部應(yīng)現(xiàn)代高層建筑發(fā)展的要求，專門為高層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而開發(fā)的基于殼元理論的三維組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。是國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)分析程序。特點(diǎn)是計(jì)算(jìsuàn)穩(wěn)定，分析功能與結(jié)構(gòu)規(guī)范要求結(jié)合得較好。共四十六頁1．SATWE采用空間桿單元模擬梁、柱及支撐等桿件。采用在殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻。墻元不僅具有墻所在的平面內(nèi)剛度(ɡānɡdù)，也具有平面外剛度(ɡānɡdù)，可以較好地模擬工程中剪力墻的實(shí)際受力狀態(tài)。1、SATWE2.對于樓板，SATWE給出了四種簡化假定，即樓板整體平面內(nèi)無限剛、分塊無限剛、分塊無限剛加彈性連接板帶(bǎndài)和彈性樓板。在應(yīng)用中，可根據(jù)工程實(shí)際情況和分析精度要求，選用其中一種或幾種簡化假定。3.SATWE適用于高層和多層鋼筋混凝土框架、框架一剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu)，以及高層鋼－砼混合結(jié)構(gòu)、復(fù)雜體型的高層建筑、多塔、錯層、轉(zhuǎn)換層及樓板局部開洞等特殊結(jié)構(gòu)型式。4.SATWE可完成建筑結(jié)構(gòu)在恒、活、風(fēng)、地震力作用下的內(nèi)力分析及荷載效應(yīng)組合計(jì)算，對鋼筋砼結(jié)構(gòu)還可完成截面配筋計(jì)算。5.可進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)和地下室聯(lián)合工作分析，并進(jìn)行地下室設(shè)計(jì)。6.SATWE所需的幾何信息和荷載信息都從PMCAD建立的建筑模型中自動提取生成并有多塔、錯層信息自動生成功能，大大簡化了用戶操作。共四十六頁2、PMSAPPMSAP

PKPM公司面向特殊結(jié)構(gòu)(jiégòu)的通用分析程序。PMSAP與PKPM是由不同的開發(fā)人員獨(dú)立完成。雖然它們的側(cè)重點(diǎn)有所不同（PMSAP考慮更多復(fù)雜情況），但對于多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)，基本功能是一樣的。共四十六頁3、GSSAP廣廈結(jié)構(gòu)CAD是深圳市廣廈軟件有限公司研發(fā)的一個(gè)面向工業(yè)(gōngyè)和民用建筑（混凝土、磚、鋼和它們的混合結(jié)構(gòu)）的多高層結(jié)構(gòu)CAD，支持框架、框剪、筒體、磚混、混合、底框磚混、板柱墻等結(jié)構(gòu)形式。共四十六頁3、GSSAP廣廈建筑結(jié)構(gòu)通用有限元GSSAP是目前彈性狀態(tài)下的廣廈的主流計(jì)算。適用于多高層混凝土結(jié)構(gòu)、多高層鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)、混凝土-磚混合結(jié)構(gòu)、空間鋼構(gòu)件、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、無梁樓蓋、加固結(jié)構(gòu)、廠房、體育館、多塔、錯層、連體、轉(zhuǎn)換層、厚板轉(zhuǎn)換、斜撐、坡屋面、彈性樓板(lóubǎn)和局部剛性樓板(lóubǎn)等結(jié)構(gòu)，其剪力墻用殼元墻元模型。特點(diǎn)是將通用有限元分析功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范較好結(jié)合。DWG轉(zhuǎn)換：如果用戶已經(jīng)有建筑的DWG圖紙，用戶可使用DWG轉(zhuǎn)換功能將建筑模型轉(zhuǎn)換為廣廈錄入模型；圖形錄入：輸入工程的幾何和荷載信息，導(dǎo)荷載，為計(jì)算準(zhǔn)備數(shù)據(jù)；同時(shí)生成基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)；樓板次梁和磚混計(jì)算：通常板不進(jìn)空間分析，樓板按照一定的邊界條件在此計(jì)算；純磚混層是導(dǎo)荷計(jì)算，也在此計(jì)算；自從廣廈采用GSSAP計(jì)算以來，次梁也同時(shí)進(jìn)入空間分析，因此不再(bùzài)采用此處的次梁結(jié)果。此處的次梁計(jì)算是按照連續(xù)梁計(jì)算的，暗含了次梁支座不發(fā)生豎向位移，而進(jìn)入空間分析的次梁所支撐的主梁是會發(fā)生豎向位移的（也更符合實(shí)際），這是兩種計(jì)算結(jié)果的區(qū)別。廣廈CAD其他功能：共四十六頁配筋系統(tǒng)：根據(jù)計(jì)算結(jié)果生成11G101平法施工圖，需要注意的是廣廈在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)頁仍然保留了原有的梁柱表施工圖；施工圖系統(tǒng)：進(jìn)行構(gòu)件歸并，自動處理字符重疊，修改結(jié)構(gòu)施工圖，生成DWG圖形文件；基礎(chǔ)CAD：根據(jù)首層柱布置和結(jié)構(gòu)計(jì)算的柱底力，計(jì)算并生成基礎(chǔ)圖，最后生成DWG文件。廣廈概預(yù)算系統(tǒng)：以廣廈結(jié)構(gòu)CAD平法施工圖和基礎(chǔ)CAD為基礎(chǔ)，根據(jù)不同地方的定額及計(jì)算規(guī)則，進(jìn)行土建工程的工程量計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、套價(jià)的概預(yù)算軟件，實(shí)現(xiàn)了混凝土、鋼筋(gāngjīn)、模板、砌體和基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)工程量的快速、完全的自動統(tǒng)計(jì)功能。本系統(tǒng)能方便地幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員估算設(shè)計(jì)造價(jià)，從而為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。工具箱：提供一些小型結(jié)構(gòu)計(jì)算工具；對比審圖：用于同一模型多套計(jì)算結(jié)果的對比，同時(shí)支持PKPM計(jì)算結(jié)果的對比。3、GSSAP共四十六頁3、GSSAP1.可計(jì)算任意結(jié)構(gòu)形式，對建筑結(jié)構(gòu)中的多塔、錯層、轉(zhuǎn)換層、樓面大開洞、長懸臂和大跨度等情形，提供了方便的處理手段；2.可以任意平面、立面和三維建模；3.有15種單元的單元庫，專門開發(fā)的“通用子結(jié)構(gòu)單元”可構(gòu)造“子結(jié)構(gòu)墻元”、“子結(jié)構(gòu)板元”、“子結(jié)構(gòu)柱元”和“子結(jié)構(gòu)梁元”，可采用高階且精度高的單元計(jì)算墻、柱、梁和板；4.有70多種梁柱截面型式、7種變截面類型、多種材料(cáiliào)類型（混凝土、鋼和鋼砼等）；5.除在總信息設(shè)置參數(shù)外，單個(gè)構(gòu)件屬性（設(shè)計(jì)屬性、幾何屬性和荷載屬性）全部開放設(shè)置；6.可輸入恒、活、水土壓力、預(yù)應(yīng)力、雪、溫度、人防、風(fēng)、地震和施工荷載10種工況，構(gòu)件有10種荷載類型，及6個(gè)荷載作用方向；7.任意一塊樓板可選用剛性板、膜元、板元或殼元計(jì)算；梁柱可選用桿元或殼元計(jì)算（考慮空間應(yīng)力分析，取代平面應(yīng)力）；板柱結(jié)構(gòu)可選用“子結(jié)構(gòu)板元”參與空間分析；GSSAP主要(zhǔyào)功能和特點(diǎn)：共四十六頁8.高效可靠的大型方程求解器和3種固有頻率求解方法：子空間迭代、Ritz向量和Lanczos法，可計(jì)算自由度達(dá)50萬的大型結(jié)構(gòu)模型；9.可同時(shí)計(jì)算8個(gè)方向地震作用和8個(gè)方向風(fēng)荷載，每個(gè)地震方向可考慮偶然偏心和雙向扭轉(zhuǎn)，動力時(shí)程分析考慮三向地震波的作用；10.考慮模擬施工，可任意指定單個(gè)構(gòu)件模擬施工組號，可進(jìn)行后澆設(shè)計(jì)；11.風(fēng)和地震的重力二階效應(yīng)計(jì)算方法包括放大系數(shù)法和剛度修正法；連梁的剛度只在地震作用下折減，其它工況下不折減；12.70多個(gè)地震波可用于地震時(shí)程分析，相應(yīng)的地震內(nèi)力自動用于構(gòu)件計(jì)算；13.可設(shè)置的荷載組合(zǔhé)系數(shù)和吊車荷載滿足民用和工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范要求。3、GSSAP共四十六頁4、ETABSETABS是由CSI公司開發(fā)研制的房屋建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件，ETABS已有近三十年的發(fā)展歷史，是美國乃至全球公認(rèn)的高層結(jié)構(gòu)計(jì)算程序，在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，是房屋建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。ETABS除一般高層結(jié)構(gòu)計(jì)算功能外，還可計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)、鉤、頂、彈簧、結(jié)構(gòu)阻尼運(yùn)動、斜板、變截面梁或腋梁等特殊構(gòu)件和結(jié)構(gòu)非線性計(jì)算（Pushover，Buckling，施工順序加載等），甚至可以計(jì)算結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)(jīchǔ)隔震問題，功能非常強(qiáng)大。共四十六頁4、ETABSETABS集成了大部分國家和地區(qū)的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)(jiégòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，她已經(jīng)將美國、加拿大、歐洲規(guī)范和中國規(guī)范納入其中，可以完成絕大部分國家和地區(qū)的結(jié)構(gòu)(jiégòu)工程設(shè)計(jì)工作。ETABS在全世界超過100個(gè)國家和地區(qū)銷售，超過10萬的結(jié)構(gòu)工程師在用它來做設(shè)計(jì)工作。其特點(diǎn)是計(jì)算穩(wěn)定(wěndìng)，分析能力強(qiáng)，剪力墻原來用板-梁模型，現(xiàn)改為用殼元模型，與我國規(guī)范結(jié)合上在逐步完善。共四十六頁5、MIDAS-BUILDINGMIDAS是一種有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元分析軟件，分為建筑領(lǐng)域、橋梁領(lǐng)域、巖土領(lǐng)域、仿真領(lǐng)域四個(gè)大類。其中建筑領(lǐng)域包含軟件：MIDASBUILDING、MIDASGEN、GENDESIGNER。MIDASBUILDING主要應(yīng)用高層(ɡāocénɡ)建筑物專業(yè)結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。共四十六頁

國內(nèi)外還有多種設(shè)計(jì)軟件，不再一一介紹。一般來說，以上五款建筑結(jié)構(gòu)(jiégòu)分析程序均可滿足工程師對大部分建筑結(jié)構(gòu)(jiégòu)分析的需求。下面簡要?dú)w納五款程序功能異同。五款常用(chánɡyònɡ)設(shè)計(jì)軟件功能對比1、五款程序均有總信息、地震作用分析、風(fēng)作用分析、荷載工況和組合以及對構(gòu)件信息的整體和單獨(dú)指定等功能。

注意：在進(jìn)行多個(gè)軟件計(jì)算對比時(shí)，除了核對總信息的參數(shù)設(shè)置是否一致以外，還應(yīng)檢查構(gòu)件參數(shù)，比如經(jīng)常遇到：ETABS的梁剛度放大系數(shù)、連梁折減系數(shù)設(shè)置；GSSAP的中梁剛度放大系數(shù)與梁高有關(guān)，與SATWE等不同。2、在總信息方面，五款程序基本能滿足用戶的使用需求。

注意：模擬施工設(shè)置上的差別。GSSAP、ETABS能設(shè)置剛域長度；MIDAS-BULDING可設(shè)置剛域系數(shù)。SATWE、PMSAP應(yīng)采用“模擬施工3”計(jì)算，沒有構(gòu)件的模擬功能。GSSAP和ETABS則可進(jìn)行構(gòu)件的模擬施工。共四十六頁3、在地震作用分析和風(fēng)作用分析方面，SATWE只能計(jì)算0度和90度的作用，其他程序能同時(shí)計(jì)算多個(gè)(duōɡè)方向的作用。五款常用設(shè)計(jì)軟件(ruǎnjiàn)功能對比

注意：STAWE若要計(jì)算多個(gè)方向，則要另存模型后旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度來進(jìn)行計(jì)算才能得到該方向的整體指標(biāo)等相關(guān)信息，應(yīng)區(qū)別于“地震斜交方向增加角度”參數(shù)。4、ETABS沒有性能設(shè)計(jì)和舒適度計(jì)算功能，其他程序有此兩項(xiàng)功能。5、除ETABS外，其他程序均可自動設(shè)置梁的剛度放大系數(shù)等功能，ETABS則需要用戶指定。6、五個(gè)程序基本包括了常用的荷載工況和荷載組合公式。7、在材料信息方面，5個(gè)程序均齊全。8、對構(gòu)件的特殊屬性指定，GSSAP最為齊全，其他程序也基本滿足用戶的需求。共四十六頁9、在五款程序中，SATWE和PMSAP的截面種類最為齊全(qíquán)，GSSAP和MIDAS-BULDING次之，ETABS可通過截面編輯器來定義用戶所要求的任意截面。五款常用設(shè)計(jì)軟件(ruǎnjiàn)功能對比10、GSSAP、SATWE和PMSAP可參數(shù)輸入樓梯構(gòu)件，而ETABS和MIDAS-BULDING需要用戶手動建立樓梯構(gòu)件。

注意：樓板應(yīng)指定為彈性板，若指定為剛性板則會大大提高了樓板的側(cè)向剛度，不符合實(shí)際。11、對于樓板的假定，常用的建筑結(jié)構(gòu)分析軟件一般分為剛性板、膜單元、板單元和殼單元四種。

注意：剛性板載自身平面內(nèi)剛度無限大，平面外剛度忽略不計(jì)，這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)位移的自由度。膜單元只有平面內(nèi)剛度，沒有面外剛度，對梁內(nèi)力影響較小。板單元面內(nèi)無限剛，面外彈性剛度，承受彎曲力，一般用來模擬基礎(chǔ)板及厚板。殼單元力學(xué)行為是膜單元和板單元的疊加，即有平面內(nèi)和平面外剛度，對于狹長樓板、大開洞樓板、不規(guī)則樓板及轉(zhuǎn)換層中的厚板，可采用殼單元計(jì)算，反映樓板的實(shí)際應(yīng)力情況。共四十六頁12、GSSAP、SATWE和PMSAP均可指定完全嵌固和帶側(cè)約束的地下室層數(shù)，ETABS是通過(tōngguò)加點(diǎn)彈簧實(shí)現(xiàn)。MIDAS-BULDING可指定完全嵌固的地下室，側(cè)約束需通過彈簧實(shí)現(xiàn)。五款常用設(shè)計(jì)軟件(ruǎnjiàn)功能對比13、GSSAP、ETABS和MIDAS-BULING可釋放桿端六個(gè)自由度，SATWE和PMSAP只能釋放yz兩個(gè)轉(zhuǎn)角自由度。

注意：各軟件對地下室側(cè)約束的模擬方法相差很大。14、SATWE、PMSAP、GSSAP和MIDAS-BULDING對于結(jié)構(gòu)底部邊界條件默認(rèn)為固接，ETABS需用戶定義。15、五款程序都提供了自動計(jì)算風(fēng)荷載的功能，ETABS無風(fēng)荷載舒適度；GSSAP和SATWE可考慮橫風(fēng)向風(fēng)振作用。16、五款程序均按規(guī)范振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用。彈性時(shí)程計(jì)算方法分為振型疊加法和直接積分法，振型疊加法速度較快。GSSAP、SATWE和PMSAP只采用振型疊加法計(jì)算，ETABS和MIDAS-BULDING提供兩種方法選擇。

注意：GSSAP連續(xù)次梁兩端部抗彎剛度缺省為剛接的1/10。共四十六頁五款常用(chánɡyònɡ)設(shè)計(jì)軟件功能對比17、5款程序的計(jì)算模型(móxíng)均能滿足用戶的需求。在計(jì)算效率方面，ETABS計(jì)算時(shí)間較短，GSSAP計(jì)算時(shí)間較長。

注意：在結(jié)構(gòu)方案階段期間，可根據(jù)實(shí)際情況對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，以提高計(jì)算速度，比如樓板設(shè)為剛性板，振型取少些，單元剖分尺寸取大一些等等。18、5款程序均能輸出位移比、層剛度比、樓層承載力比、剛重比、層間位移角等，需特別注意各程序中某些輸出結(jié)果的意義可能不一樣。共四十六頁建筑結(jié)構(gòu)非線性分析(fēnxī)軟件常用非線性分析(fēnxī)軟件功能介紹1、ABAQUSABAQUS是一套功能強(qiáng)大的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS包括一個(gè)豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、土壤和巖石等。作為通用的模擬工具，ABAQUS除了能解決大位移、強(qiáng)非線性結(jié)構(gòu)分析問題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題，例如溫度應(yīng)力、水流沖擊效應(yīng)、耗能減震分析以及巖土力學(xué)分析。共四十六頁1、ABAQUS

一個(gè)完整的ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit的分析過程(guòchéng)，通常由三個(gè)步驟組成：前處理、模擬計(jì)算和后處理。

一般的線性靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)問題是使用ABAQUS/Standard進(jìn)行求解的。若涉及接觸或材料非線性，ABAQUS/Standard則必須通過迭代確定非線性的解答，從而導(dǎo)致大量迭代或難以(nányǐ)收斂。

而ABAQUS/Explicit通過由前一步的數(shù)據(jù)顯式地向前推動力學(xué)狀態(tài)，確定解答無需進(jìn)行迭代。對于一個(gè)給定的可能需要大量時(shí)間增量步的分析，如果同樣的分析應(yīng)用ABAQUS/Standard需要大量的迭代，那么應(yīng)用ABAQUS/Explicit分析可能更有效。

一般來說，

ABAQUS/Explicit用來分析：復(fù)雜接觸問題、高度非線性的靜態(tài)問題、材料退化和失效、復(fù)雜的后屈曲問題、多步驟分析。共四十六頁2、SAP2000SAP2000的優(yōu)勢在于(zàiyú)分析計(jì)算穩(wěn)定，計(jì)算效率高，能處理大型結(jié)構(gòu)計(jì)算問題。

SAP2000空間建模方便，荷載計(jì)算功能完善，可從CAD等軟件導(dǎo)入，文本輸入輸出功能完善。結(jié)構(gòu)彈性靜力及時(shí)程分析功能相當(dāng)不錯(bùcuò)，效果高，后處理方便。不足之處在于彈塑性分析方面功能較弱，有塑性鉸屬性，非線性計(jì)算收斂性較差。提供二次開發(fā)接口。結(jié)構(gòu)工程分析中常用的工具。它基本上集成了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析中經(jīng)常遇到方法，如時(shí)程分析、地震動輸入、動力分析以及Push-over分析等等。另外還包括:靜力分析、用特征向量或Ritz向量進(jìn)行振動模式的模態(tài)分析、對地震反應(yīng)的反應(yīng)譜分析等等。這些不同類型的分析可在程序的同一次運(yùn)行中進(jìn)行，并把結(jié)果綜合起來輸出。共四十六頁3、ETABS除了具有彈性分析(fēnxī)及設(shè)計(jì)的強(qiáng)大功能，ETABS同時(shí)也具有完善的彈塑性分析能力。ETABS單元庫幾乎(jīhū)囊括了所有建筑結(jié)構(gòu)分析用到的單元，包括框架單元、殼體單元、彈簧單元、連接單元和塑性鉸單元等。連接單元包括粘滯阻尼器單元、縫隙單元、鉤單元、塑形單元、摩擦隔震單元、橡膠支座隔振器單元。

連接單元的非線性主要用于動力時(shí)程計(jì)算分析，不適用于靜力彈塑性推覆分析。材料的分線性主要為梁單元的塑性鉸屬性。但只有鋼筋混凝土和鋼材截面可以設(shè)置塑性鉸屬性。梁單元的塑性鉸屬性只能用于靜力彈塑性推覆分析，對動力分析不起作用。共四十六頁4、PERFROM-3DPERFROM-3D三維結(jié)構(gòu)非線性分析與性能評估軟件，它的前身是美國加州大學(xué)Berkeley分校的鮑威爾教授開發(fā)的Drain-2DX和Drain-36DX，是一個(gè)(yīɡè)致力于研究抗震設(shè)計(jì)的非線性軟件工具。PERFORM-3D為用戶提供了一個(gè)強(qiáng)大的地震工程(gōngchéng)分析工具來進(jìn)行靜力Pushover分析和非線性動力時(shí)程分析?？梢酝瑫r(shí)在一個(gè)模型中實(shí)現(xiàn)靜力或動力非線性分析，荷載可以任意順序施加，如完成動力時(shí)程分析后進(jìn)行靜力Pushover分析。模型數(shù)據(jù)可以從ETABS或者SAP2000導(dǎo)入。支持多種類型單元，包括帶有節(jié)點(diǎn)區(qū)的梁、柱、支撐、開洞剪力墻、樓板、粘滯阻尼器和隔振器。共四十六頁4、PERFROM-3DPERFORM-3D的單元類型包括：單拉壓桿單元、梁柱單元、墻單元、剪切連接單元和節(jié)點(diǎn)區(qū)單元、斷裂連接單元、樓板單元、粘滯阻尼器單元、摩擦擺隔振器單元、橡膠支座隔振器單元。材料方面通過簡化的多線型模擬，并且可采用纖維截面模擬梁柱單元，可以通過材料的本構(gòu)關(guān)系自動確定截面的塑性特性。剪力墻的塑形特性通過模擬其彎曲破壞(pòhuài)和剪切破壞(pòhuài)特性來實(shí)現(xiàn)，對于彎曲特性采用纖維截面來模擬，剪切特性采用剪切材料模擬。PERFORM-3D的時(shí)程積分采用平均加速度法求解方法(fāngfǎ)。輸出：使用比率、Pushover、能量平衡、模態(tài)形狀、變形形狀、位移和力的時(shí)程記錄。共四十六頁5、OPENSEESOpenSees的全稱是OpenSystemforEarthquakeEngineeringSimulation（地震工程模擬的開放體系）。它是由美國國家自然科學(xué)基金（NSF）資助、西部大學(xué)聯(lián)盟“太平洋地震工程研究中心”（PacificEarthquakeEngineeringResearchCenter，簡稱PEER）主導(dǎo)、加州大學(xué)伯克利分校為主研發(fā)而成的、用于結(jié)構(gòu)和巖土方面地震反應(yīng)模擬的一個(gè)較為全面且不斷(bùduàn)發(fā)展的開放的程序軟件體系。共四十六頁5、OPENSEESOpenSees具有先進(jìn)的建模功能，并包含大量的材料型號、單元和求解算法，可以用來分析系統(tǒng)的非線性響應(yīng)。該軟件采用并行算法，以便于在大型計(jì)算機(jī)上進(jìn)行大型模擬或參數(shù)研究。提供非線性靜態(tài)和動態(tài)方法，方程求解器，以及處理約束的各種方法。OpenSees是開源的。官方網(wǎng)站提供了有關(guān)軟件(ruǎnjiàn)構(gòu)架的信息，源碼訪問途徑及開發(fā)過程。開源將使得地震工程研究人員和用戶可以以此為交流的紐帶，建立起OpenSees軟件開發(fā)的共同體。

國內(nèi)有學(xué)者開發(fā)了可視化界面(jièmiàn)，方便了使用人員的建模。共四十六頁6、MIDASMIDAS/Gen是建筑領(lǐng)域通用結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，具有(jùyǒu)預(yù)應(yīng)力分析、動力彈塑性分析、水化熱分析、屈曲分析、反應(yīng)譜分析、Pushover分析等完備的分析功能。MIDAS/Building的非線性分析軟件(ruǎnjiàn)的單元庫包括框架單元、殼體單元和塑性鉸單元。可進(jìn)行P-Delta分析、靜力彈塑形推覆分析和動力彈塑性時(shí)程分析。

靜力彈塑性分析采用荷載控制法和位移控制法計(jì)算，而計(jì)算過程每個(gè)增量步的迭代方法用完全Newton-Raphson法。動力彈塑性分析方法采用Newmark-β直接積分方法，迭代增量采用完全Newton-Raphson計(jì)算的方法。共四十六頁7、EPDAEPDA的單元庫包括框架(kuànɡjià)單元、殼體單元、塑性鉸單元、隔震單元和阻尼器單元。

可考慮材料的受拉開裂、裂縫閉合、壓碎退出工作等混凝土材料所特有的復(fù)雜特性。梁、柱、支撐等一維構(gòu)件(gòujiàn)采用纖維束模型模擬，纖維束模型的適用性好，不受截面形式和材料限制，剪力墻通過彈塑性墻單元模擬。8、GSNAPGSNAP為廣廈結(jié)構(gòu)CAD系列中的彈塑性分析軟件。單元庫包括框架單元、殼體單元和連接單元。連接單元有粘滯阻尼器單元、縫隙單元、鉤單元、塑性單元、摩擦擺隔振器單元、橡膠支座隔震器單元。梁、柱、支撐等一維構(gòu)件采用纖維束模型模擬；剪力墻是通過彈塑性墻單元模擬。

動力微分方程解法包括Newmark-β和Wilson-θ法。迭代方法可選擇完全牛頓-拉普森迭代和修正牛頓-拉普森迭代。共四十六頁小結(jié)(xiǎojié)1、MIDAS/Gen、SAP2000、ABAQUS屬于通用有限元軟件，可以處理復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)問題。非線性計(jì)算能力和計(jì)算效率(xiàolǜ)比較，ABAQUS>SAP2000>MIDAS/Gen。ETABS、PERFORM-3D、EPDA、MIDAS/Building和GSNAP屬于專用有限元軟件，可以考慮重力二階效應(yīng)的計(jì)算，非線性計(jì)算能力，

PERFORM-3D>MIDAS/Building>

GSNAP>EPDA>ETABS。2、通用有限元軟件MIDAS/Gen、SAP2000建模方便，ABAQUS一般需要進(jìn)行模型導(dǎo)入，建模能力排序?yàn)镸IDAS/Gen>SAP2000>ABAQUS；專用有限元軟件可直接讀入彈性模型，建模能力排序?yàn)镸IDAS/Building>EPDA>GSNAP>ETABS>PERFORM-3D。3、MIDAS/Gen、SAP2000、ABAQUS、ETABS、PERFORM-3D、EPDA、MIDAS/Building和GSNAP均可考慮靜力彈塑性計(jì)算分析。動力分析時(shí)，MIDAS/Gen和ETABS不可以考慮構(gòu)件的材料非線性。僅ABAQUS的動力時(shí)程計(jì)算考慮實(shí)體節(jié)點(diǎn)的材料非線性。3、

ETABS、EPDA、MIDAS/Building和GSNAP可自動輸出樓層結(jié)果，包括層間位移角、樓層剪力等，

MIDAS/Building、SAP2000、ABAQUS、PERFORM-3D需人工處理。共四十六頁靜力彈塑性分析(fēnxī)軟件Pushover分析方法主要應(yīng)用于受高階振型和動力特性影響較小的結(jié)構(gòu)。Pushover分析就是(jiùshì)結(jié)構(gòu)分析模型受到一個(gè)沿結(jié)構(gòu)高度為某種規(guī)定分布形式逐漸增加的側(cè)向力或側(cè)向位移，直至控制點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)位移或建筑物傾覆位置。分析軟件Pushover分析可采用PERFORM-3D、ETABS、MIDAS/BUILDING、ABAQUSEPDA和GSNAP。兩個(gè)基本假定1、結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與某一等效的單自由度體系相關(guān)，也就是說結(jié)構(gòu)的響應(yīng)僅由第一振型控制。2、在整個(gè)地震反應(yīng)過程中，結(jié)構(gòu)形狀向量保持不變。

這兩個(gè)假定都是沒有理論依據(jù)的，但研究表明：對于反應(yīng)主要由第一振型控制的結(jié)構(gòu)，Pushover方法還是可以比較準(zhǔn)確、簡便地評估結(jié)構(gòu)的抗震性能。共四十六頁塑性(sùxìng)鉸的特點(diǎn)靜力彈塑性分析(fēnxī)軟件1、塑性鉸的存在條件是因截面上的彎矩達(dá)到塑形極限彎矩，并由此產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，當(dāng)該截面上的彎矩小于塑形極限彎矩時(shí)，則不允許轉(zhuǎn)動。2、塑性鉸的轉(zhuǎn)動方向必須與塑形彎矩的方向一致，不允許與塑性鉸彎矩相反的方向轉(zhuǎn)動，否則出現(xiàn)卸載使塑性鉸消失。3、對于超靜定結(jié)構(gòu)，某一截面出現(xiàn)塑性鉸并不能使結(jié)構(gòu)倒塌，還能繼續(xù)承受增加的荷載。當(dāng)繼續(xù)加荷時(shí)，先出現(xiàn)塑性鉸的截面所承受的彎矩維持不變，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，沒有塑性鉸的截面所承受的彎矩繼續(xù)增加，直到結(jié)構(gòu)形成幾何可變機(jī)構(gòu)。這就是塑性變形引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，塑性鉸轉(zhuǎn)動的過程就是內(nèi)力重分布的過程。塑性鉸的概念

從鋼筋屈服到混凝土被壓碎，截面不斷繞中和軸轉(zhuǎn)動，類似一個(gè)鉸，由于此鉸是在截面發(fā)生明顯的塑形變形后形成的，故稱其為塑性鉸。共四十六頁纖維(xiānwéi)束模型靜力彈塑性分析(fēnxī)軟件纖維束模型根據(jù)高斯點(diǎn)每步應(yīng)變的變化積分，剛度更準(zhǔn)；塑性區(qū)沿桿件軸向和橫向式逐步發(fā)展的，因此不會出現(xiàn)塑性鉸模型構(gòu)件剛度突變；積分點(diǎn)應(yīng)力是通過材料本構(gòu)關(guān)系計(jì)算，材料特性符合中國規(guī)范；由于剛度積分計(jì)算量大，速度較慢。各軟件塑性鉸的定義PERFORM-3D的梁柱塑性鉸需要根據(jù)FEMA-365確定塑性鉸的骨架曲線，工作量較大，而ETABS、SAP2000和MIDASBUILDING只需定義塑性鉸的自由度方向和在構(gòu)件中的位置，曲線自動計(jì)算，工作量較小。

PERFORM-3D、MIDASBUILDING可以在所有構(gòu)件中使用纖維截面,ABAQUS可用戶開發(fā)，GSNAP、EPDA可梁柱單元定義。PERFORM-3D的纖維截面使用最為成熟。共四十六頁動力(dònglì)彈塑性分析軟件

動力彈塑性分析從選擇合適的地震動輸入（如地震加速度時(shí)程）出發(fā)，采用結(jié)構(gòu)有限元動力計(jì)算模型建立地震動方程，然后采用數(shù)值方法對方程進(jìn)行求解，計(jì)算地震過程中每一時(shí)刻(shíkè)結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度響應(yīng)，從而可以分析出結(jié)構(gòu)在地震作用下彈性和非彈性階段的內(nèi)力以及構(gòu)件逐步損壞的過程。

動力彈塑性分析屬于非線性分析，需要采用直接積分法。直接積分法的思路是：對于在地震動這一不規(guī)則動力作用下的結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析，可將時(shí)間t劃分許多微小的時(shí)間段△tn，由動力方程的數(shù)值獲得其數(shù)值解。已知結(jié)構(gòu)在tn時(shí)刻vn，v’n，v’’n,可采用數(shù)值方法由動力方程確定時(shí)間段△t后tn+1=tn+△t時(shí)刻的反應(yīng)值vn+1，v’n+1，v’’n+1，如此逐步進(jìn)行下去，即可獲得結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的全過程。

直接積分法可分為：分段解析法、中心差分法、平均加速度法、線性加速度法、Newmark-β法、Wilson-θ法、Hilber-Hughes-Taylor法等。

動力彈塑性分析需要將動力微分方程的求解和非線性方程的求解結(jié)合起來。常用的非線性迭代方法有Newton-Raphson法、modifiedNewton-Raphson方法等。共四十六頁動力(dònglì)彈塑性分析軟件各軟件(ruǎnjiàn)積分方法對比軟件Perform3DSAP2000ABAQUSEPDAMIDASBuildingGSNAP積分方法平均加速度法Newmark-βWilson-θ中心差分法Newmark-βWilson-θNewmark-βNewmark-βWilson-θ一維彈塑性單元（梁、柱）1、纖維束模型2、塑性鉸模型共四十六頁動力(dònglì)彈塑性分析軟件二維彈塑性單元(dānyuán)（剪力墻、樓板）1、纖維束模型每片非線性墻單元被分割成具有一定數(shù)量的豎向和水平向纖維。PERFORM-3D可定義該模型。2、殼元損失模型混凝土材料進(jìn)入塑性狀態(tài)伴隨著剛度的降低，其剛度損傷分別由受拉損傷參數(shù)dt和受壓損傷參數(shù)dc來表達(dá)。ABAQUS定義該模型。3、分層殼模型分層殼單元基于符合材料力學(xué)原理，將一個(gè)殼單元分成多層，每層可根據(jù)需要設(shè)置不同的厚度和材料，考慮了面內(nèi)彎曲-面內(nèi)剪切-面外彎曲的耦合。SAP2000可定義該模型。共四十六頁動力彈塑性分析(fēnxī)軟件動力彈塑性分析軟件(ruǎnjiàn)的選擇1、模型準(zhǔn)備

一般來說，常用的結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000、GSNAP、EPDA和MIDASBuilding的模型建立起來比較方便，并且可以采用其彈性計(jì)算的配筋進(jìn)行彈塑性計(jì)算。ABAQUS和PERFORM-3D模型建立和鋼筋修改都較其他軟件麻煩，一般都采用模型數(shù)據(jù)交換的方式建立模型。ABAQUS可以從GSSAP中導(dǎo)入模型，PERFORM-3D可以從SAP2000導(dǎo)入模型，但塑性需定義。2、迭代收斂難易

大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程計(jì)算一般需要比較長的時(shí)間，幾個(gè)小時(shí)，甚至幾天時(shí)間。若迭代中途出現(xiàn)錯誤，計(jì)算得重新開始，影響效率。因此迭代難以程度對彈塑性計(jì)算時(shí)間起到至關(guān)重要的作用。共四十六頁

造成迭代較慢或者不收斂的原因通常有以下幾種：結(jié)構(gòu)中存在薄弱構(gòu)件損傷嚴(yán)重，其變形(biànxíng)或應(yīng)力集中對每一步迭代起了控制作用，使得迭代速度較慢，若其應(yīng)變活應(yīng)力超出了迭代控制范圍，迭代則不能進(jìn)行下去；個(gè)別短小的單元或者是剖分畸形的單元同樣對每一步迭代起了控制作用，影響了迭代的速度。動力(dònglì)彈塑性分析軟件EPDA、GSNAP和PERFORM-3D的容錯性較好，迭代較容易收斂，PERFORM-3D、ABAQUS和MIDASBuilding會提示不收斂原因,而EPDA、GSNAP和SAP2000則沒有此功能。3、各軟件輸入輸出結(jié)果MIDASBuilding、EPDA和GSNAP自帶地震波庫，可直接選擇所需地震波，工作量較小，PERFORM-3D、SAP2000、ABAQUS無自帶地震波庫，需人工處理。ABAQUS、PERFORM-3D和SAP2000需要通過用戶后處理得到層間位移角、樓層剪力等結(jié)果，MIDASBuilding、EPDA和GSNAP則自動完成對結(jié)果的后處理輸出。共四十六頁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若干計(jì)算問題(wèntí)的處理方法一、地震波選取(xuǎnqǔ)進(jìn)行高層結(jié)構(gòu)地震作用分析時(shí)，多遇地震計(jì)算參數(shù)按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010和工程安評報(bào)告的不利值選擇，設(shè)防地震和罕遇地震作用計(jì)算可按照規(guī)范選擇，如果經(jīng)濟(jì)條件許可，也可選擇兩者中較大結(jié)果用于設(shè)計(jì)。正確選擇輸入的地震加速度時(shí)程曲線，要滿足地震動三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間均要符合規(guī)定。頻譜特性可用地震影響系數(shù)表征，每條地震波加速度時(shí)程曲線的有效持時(shí)和計(jì)算所得的底部剪力應(yīng)符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。選波方式：1、地震波庫。一般常用的結(jié)構(gòu)分析軟件均帶有一些地震波數(shù)據(jù)，如GSNAP、SATWE等，若天然波數(shù)據(jù)不足或分析軟件沒有提供地震波數(shù)據(jù)，可登陸網(wǎng)站下載國內(nèi)外較權(quán)威的天然波數(shù)據(jù)。人工波可用軟件生成。共四十六頁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若干(ruògān)計(jì)算問題的處理方法共四十六頁2、按照條件篩選(shāixuǎn)地震波。持時(shí)要求結(jié)構(gòu)第一周期的5~10倍。3、校核頻譜特性?？衫肧eismicSignal軟件將選取的地震波轉(zhuǎn)換為反應(yīng)譜曲線，與規(guī)范的反應(yīng)譜曲線對比，一般比較前六個(gè)周期的加速度。按規(guī)范選取一定數(shù)量的人工波和天然波。（人工波與反應(yīng)譜曲線吻合程度較高，原因是人工波將足夠多的具有不同周期的正弦波隨機(jī)地疊加組合過程中不斷地疊加修正，使它的反應(yīng)譜不斷逼近設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。而天然波通過(tōngguò)隨機(jī)樣本得到，具有更多不確定因素，但天然波更能激發(fā)結(jié)構(gòu)的高階振型。）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若干計(jì)算問題的處理方法共四十六頁4、通過彈性時(shí)程分析進(jìn)行篩選。即輸入地震波進(jìn)行試算，對基底剪力和規(guī)范要求(yāoqiú)的值進(jìn)行對比，把不滿足要求(yāoqiú)的過濾掉。（每條地震波計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于反應(yīng)譜的65%，不大于135%；所有地震波底部剪力平均值不應(yīng)小于反應(yīng)譜80%，不大于120%）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若干(ruògān)計(jì)算問題的處理方法共四十六頁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若干計(jì)算問題的處理(chǔlǐ)方法二、樓梯(lóutī)參與結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算

汶川大地震被損壞建筑的一個(gè)特點(diǎn)是樓梯構(gòu)件的破壞，影響了逃生通道安全年，造成人員傷亡。以往結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中計(jì)算分析模型一般是不輸入樓梯構(gòu)件的，將其等效為荷載加到周邊構(gòu)件。原因有兩個(gè)：一是工程師普通認(rèn)為樓梯構(gòu)件對結(jié)構(gòu)受力影響不大，通過構(gòu)造措施就可以保證安全；二是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件沒有提供樓梯參與整體分析的功能，若用通用有限元程序計(jì)算，比較麻煩。