建筑结构设计软件动力时程分析功能比较

周树峰 徐 港 鲍 浩 赵 鹏

（三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002）

地震反应分析方法主要分为静力法、反应谱法、拟静力法和时程分析法等，其中时程分析法能反映地面运动各种成分、特性及持时的影响，计算出整个地震过程中结构的运动和受力状态，精确细致地暴露结构的薄弱部位，揭示结构可能出现破坏的部位、破坏过程及破坏原因，是最为精确的一种方法.近年来，随着计算机软硬件水平的提高，时程分析法计算耗时的不足得到有效改善，该法的应用已越来越普遍，所以目前有影响的建筑结构设计软件中均已嵌入结构动力时程分析模块，但采用不同软件进行时程分析时，在数据输入、计算精度、输出功能以及操作的便利性等各方面尚存在较大差异，为此本文通过具体算例较为全面地比较分析了PKPM／SATWE、MIDAS／Building及ETABS软件在时程分析功能方面的异同，并给出了具体意见，希望能为高层建筑结构设计提供参考.

1 工程概况

本文所采用的分析模型为11层钢筋混凝土框架结构，建筑总高为36.6m，第1层为3.6m，2～11层为3.3m；室内外高差为0.45m.柱截面尺寸为600 mm×600mm，700mm×700mm；框架梁截面尺寸300mm×800mm，350mm×800mm；楼面恒载为4.48kN／m2，楼面活载为2kN／m2；楼层边梁恒载为8.736kN／m2.按7度（0.15g）抗震设防，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，场地特征周期为0.35 s，结构阻尼比为0.05，梁、柱的受力主筋HRB335，箍筋为HPB300，结构布置平面图如图1所示.

图1 结构布置平面图

2 前处理比较

2.1 建模方面的便利性

SATWE、MIDAS／building和ETABS中，除了PKPM是二维建模，其他均是三维建模，但是MIDAS／Building中显示的界面比较友好，操作更灵活，相比而言，ETBAS的操作相对就要麻烦一些，菜单隐藏的比较深，对于新手，不太容易上手，而PKPM则介于两者之间.3种软件在前处理方面有很大的不同，其难易程度为ETABS＞PKPM＞Midas／Building.目前MIDAS／building和ETABS支持Excel的图形复制工作，解决了软件版本之间的不兼容问题.

2.2 地震波的选取

对结构进行时程分析时，输入不同的地震波会有不同的地震反应，因此，地震波的选择要满足一定的条件［1］.根据《高层建筑混凝土结构技术规程》［2］规定：应按建筑场地类别和设计地震分组选取实际地震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际地震记录的数量不应少于总数量的2／3.对输入的地震加速度所产生的地震反应也要满足《建筑抗震设计规范》［3］的要求，即每条时程曲线所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%，同时时程分析选用的地震波需满足以下频谱特性：特征周期与场地特征周期接近；最大峰值符合规范要求；持续时间为结构第一周期的5～10倍并且不少于15s；时程波对应的加速度反应谱在结构周期上（主振型）与规范反应谱相差不大于20%.选择满足这些条件的地震波才能模拟结构在真正地震作用下地震反应［4］.

本文选用Madis／Building推荐的110－10－m、Sfs－48－w及obg－270－w三条地震波和人工波进行时程分析，各条地震波加速度时程曲线如图2～7所示.

图2 110－10－m波地震加速度曲线

图3 Sfs－48－w波加速度时程曲线

图4 人工波X向加速度时程曲线

图5 obg－270－w波加速度时程曲线

图6 人工波Y向加速度时程曲线

图7 地震影响系数曲线（X）

比较所选各地震波与规范反应谱法的地震影响系数曲线，如图7以及表1（通过MIDAS／Buiding所计算得到的时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线的误差都在规范允许的范围内）可以看出选择的地震波在统计意义上基本相符［5］.

表1 地震影响系数误差

在进行时程分析时，PKPM、ETABS只能通过相关规范，程序推荐选择地震波，但是可供选择的地震波数量太少，而在MIDAS／Building中程序提供了大量的地震波，供相关设计人员选用.另外程序分析完成后，PKPM、MIDAS／Building中会显示选择的地震波影响系数曲线是否满足“在统计意义上相符”这个条件的数据参考，在ETABS只显示分析结果.

2.3 分析时间的设置

由《建筑抗震设计规范》知，时程分析采用的地震波，持续时间为结构第一周期的5～10倍并且不少于15s，一般在计算的时候，为了减少计算机的内存，选10～15s就够了［6］，然而在MIDSA／Building中提供了时间段选择的功能，ETABS中却只能通过导出地震波进行截断的方法进行比较计算分析，SATWE却不能导出地震波，只能通过其他软件生成的地震波进行导入截断的方法计算，这为工程人员带来了极大的不便利.

3 分析过程与结果比较

结构分析的过程中可以发现，SATWE采用振型叠加法时明显计算的时间较快.从整体的计算分析来看，MIDAS和ETABS运行线弹性时程分析时需要从起始点开始，所需的时间较多，这就造成了每次要调整地震波时，会造成很大的时间浪费.而SATWE则是分块进行的，时间较短，便于地震波的选择.

3.1 自振周期

从表2可以看出，周期计算的结果，在低阶振型中，SATWE＞ETABS＞MIDAS／Building.造成这些差异的原因主要是：SATWE中考虑了梁柱重叠部分刚域之后并不扣除重叠部分的质量.从而可以确定出SATWE计算的周期结果会比其他两种软件大一些.

表2 结构周期比较 （单位：s）

3.2 地震作用效应

MIDAS／Building中输入的各种波的最大层间位移角值偏大.剪力之比为MIDAS／Building＞ETABS＞SATWE，如表3及图8～9所示.但总体来讲，时程分析所得的最大层间位移角均小于反应谱法的结果.

表3 时程分析结果比较

图8 楼层最大位移曲线（ETABS、SATWE同样）

图9 楼层最大剪力曲线（ETABS、SATWE同样）

图8～9分别为MIDAS／Building计算的最大楼层位移曲线和楼层剪力曲线，3条加速度时程曲线所得的最大楼层位移和楼层剪力的平均值几乎均在振型分解反应谱法计算结果之内.每条加速度时程曲线在3个软件中计算所得的基底剪力均大于65%的振型分解反应谱法的结果，3条时程曲线计算所得X向楼层最大剪力，Y向楼层最大剪力曲线的结构底部剪力的平均值也大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%.ETABS和SATWE也同样.因此，所选择的地震加速度时程曲线基本能够满足规范的要求.从表3还可以看出，同一烈度、同一水准的不同波输入时，以110－10－m波输入时结构最大层间位移角和基底剪力反应最大，与obg－270－w波相比差异较大，这说明输入波的频谱特性对结构的动力反应的影响相当明显.

3.3 楼层位移

3种软件计算的位移结果反应在结构的下部楼层相差不大，上部楼层的离散性较大.在X向地震波作用下，ETABS模型的上部楼层位移最大，SATWE次之.在人工波Y向作用下，3种软件计算的位移相差不大.然而，在Y向地震波obg－270－w、Sfs－48－w作 用下，SATWE模型的上部楼层位移最小，如图10所示.

图10 基于不同软件地震波楼层位移

3.4 楼层剪力

从人工波中发现，部分软件模型有剪力突变现象，如图11所示.一般来说，正常的层剪力的变化趋势是随层高的增加，剪力值逐渐减小（一般指小震情况下），但也可能会出现剪力突变的情况，可能是由于结构的布置不规则，刚度发生突变以及行波效应等；模型中做弹性时程分析时，剪力出现一定的突变，主要发生在4、5层和6、7层的位置，并且变化的趋势并不是特别的明显，整体来说还是比较好的，但是结构破坏的趋势就是在4、5层和6、7层会先发生较大位移的破坏，如果在大震下分析的话，这种变化会更明显，而这里由于人工波的地震数据相比其它地震波要大一些，所以得出的结果更明显一些.

图11 基于不同软件地震波楼层剪力

从图11中还可以看出每种软件对选取的地震波计算结果的影响是比较大的.其中与规范所采用的加速度时程曲线符合越好的地震波，3种软件计算的结果差异越小.

3.5 计算结果的准确性

从计算结果的准确性来看，PKPM基于中国规范，适合中国的国情，MIDAS／Building是结合了通用有限元程序和土木、建筑领域专用程序的功能及优点，并且与中国规范的结合比较紧密.ETABS不能出计算书，但是ETABS历史较长，计算内核的稳定性和准确性是众所周知的，计算的内力比较准确.后面两种软件的计算结果都和SATWE的结果基本吻合，说明在超限审查中，用MIDAS／Building，ETABS进行结构分析时，对PKPM计算结果具有很好的参考价值.

3.6 结果差异分析

软件分析结果存在差异有3方面的原因：1）结构模型的参数方面存在一些差异，比如截面特性、材料特性、考虑结构的恒荷载计算和计算结果整理方面以及人为因素等等；2）计算方法的差异，由于SATWE中线弹性时程分析采用振型叠加法［7］计算而 MIDAS／Building采用直接积分法，ETABS则采用振型叠加法和直接积分法相结合［8］的方法计算，所以三者之间必定会存在一定的差距.3）MIDAS／Building中地震波采取的是从中间截取一段地震波作为结构的激励响应，而ETABS和SATWE中采用的是完整的地震波，这必定会给结果造成一定的影响.

3.7 后处理的难易程度

在查询结果操作方面：MIDAS／Building显示的数据比较直接，较易查询，PKPM显示的图像比较直观，容易判别结果是否满足规范的要求.在后处理结果输出方面仍有一些差别存在，ETABS相比于其他两种软件，不能出施工图和计算书，这为后续的弹塑性分析留下了遗憾.在MIDAS／Building中程序提供了非常丰富的后处理项目，如提供超筋超限信息，提供专家校审功能和校审报告等.后处理3种软件从难到易的顺序为：ETABS＞PKPM＞MIDAS／Building.

4 结 语

1）本文通过具体算例较为全面地比较分析了PKPM／SATWE、MIDAS／Building及ETABS软件在时程分析功能方面的异同，得出MIDAS／Building在前处理中建模，选波和调波方面具有一定的优势，并且提供了丰富的后处理功能，便于操作人员快速查询结果.

2）当然上述观点是针对本文模型而言的，对于其他高层，特殊建筑物还有待考究.

［1］ 赵伯明，王 挺.高层建筑结构时程分析的地震波输入［J］.沈阳建筑大学学报：自然科学版，2010（6）：1111－1118.

［2］ 中华人民共和国行业标准.《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3－2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［3］ 中华人民共和国行业标准.《建筑抗震设计规范》GB 50011－2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［4］ 杨 溥，赖 明.结构时程分析法输入地震波的选择控制指标［J］.土木工程学报，2000（6）：33－37.

［5］ 杨志勇，黄吉锋，邵 弘.弹性与弹塑性动力时程分析方法中若干问题探讨［J］.建筑结构学报，2009（S1）：213－217.

［6］ 李传松.对时程分析中地震波输入的几点认识［J］.安徽电子信息职业技术学院学报，2005（6）：98－100.

［7］ 多层及高层建筑结构空间单元分析与设计软件（墙元模型）用户手册［M］.北京：中国建筑科学研究院，2010.

［8］ 北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院编.ETABS中文版使用指南［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.