建筑结构常用超限分析软件及计算结果对比研究

张文松

（深圳市筑裕新科技发展有限公司，广东深圳 518000）

1 计算分析软件介绍

1.1 盈建科结构计算软件

YJK结构计算软件是结构工程设计人员进行结构设计及计算分析的常用软件之一，拥有着强大的建模及计算功能，该特点对于初学者较为友好，即结构建模和荷载输入多维度化，可实现二维和三维的自由切换、两者紧密结合又相辅相成，从而使建模更加方便、直观、易学、高并被广泛推广到复杂建筑模型的建模应用中。YJK结构计算软件主要有以下几大功能模块，包括建模、上部结构计算、基础设计、砌体结构设计、施工图设计。其拥有Etabs 2017、ABAQUS、MIDAS、SAUSAGE等计算模型接口[1]，为不同软件之间计算模型到计算模型的转换提供了可能性，这一点对于需要至少采用两种不同的力学模型的结构超限计算分析而言，大大提供了便利。新版本的YJK2.0提出了一种新的有限元墙单元自动划分方法；多塔结构自动划分；风荷载计算更加精确。

该程序可应用于各种类型的工业和民用建筑工程，包括框架、框架剪力墙、剪力墙、框架筒、复合材料各种高层建筑、结构、钢结构、特殊结构、砌体结构等，用于复杂高层建筑中的多塔结构和上部连接体结构、加筋层、转换层、组团室、地下室等结构类型设计。

1.2 ETABS 2017

目前钢结构这种长细比较大的线型构件或者接近线型的桁架式构件用ETABS软件计算比较多，其建模方便，操作界面简单易学，基本都是指令性操作，根据相关指令即可完成建模，除此之外，也可通过CAD制图软件导入轴网或者平面图，通过平面图中不同的图层颜色来控制定义不同的构件而形成基本框架，再在基本框架基础上，添加其他复杂构件，进而形成计算模型。ETABS是一个较为完善且易于使用的面向对象的分析、设计、优化、制图和加工数字环境、分析和设计功能的结构计算和有限元分析软件[2]。

ETABS具有强大的单元库，水平构件比如说混凝土楼板、竖向构件比如说剪力墙都能准确模拟，计算速度也较快，后处理模块查看计算和分析结果也较方便，因此在工程上和科研院校应用较多。

1.3 SAUSAGE分析软件

CSI公司研发的MIDAS、SAFE等分析软件功能强大，各行各业均有应用，但近年来，我国自主研发的有限元计算计算软件也逐渐受到设计人员和学者的关注，并有所应用。SAUSAGE分析软件[3]就是一个比较好的例子，由广州某公司研发，其特点是：计算方法新颖，线性和非线性均能较为准确的计算，求解器性能高，计算速度高效。由于建筑结构在大震下变形较大，大都建筑已经进入弹塑性大变形状态，正好SAUSAGE擅长非线性计算，因此该软件在大震计算分析应用较多。

成功研发并经过工程设计人员和学者的大量测试，已经证实该软件可用于大震计算分析及性能水准、性能目标的评估，满足国内抗震规范对性能化设计的这一基本需求，并且与国际上同类分析软件保持同等先进的水平，应用价值高。这也是对我国设计研发人员的一种激励和肯定。

2 计算结果对比分析

本文以某工程设计实例为例，该工程项目为学校，分为教学楼和宿舍楼，教学楼为框架结构，结构6层，高度约23m，宿舍楼结构为部分框支剪力墙结构，楼层14层，高度45.55m，带大底盘，大底盘设两层地下室。抗震设防烈度为Ⅶ度（0.15g），场地类别Ⅱ类，基本风压值0.75kN/m2，地面粗糙度类别C类。以YJK计算软件进行建模并计算，部分计算数据如下：扭转位移比u为1.48，大于规范值1.2；结构层次属于多塔结构；宿舍楼三楼为转换层，竖向构件不连续，按照《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》，该结构已超限，需进行结构超限分析。

《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB 50011—2010）[4]第3.6.6条、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）[5]规范第5.1.12条要求：体型复杂、结构布置复杂以及B级高度高层建筑结构，应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。本文以小震计算分析内容为例，分别采用YJK计算分析软件和ETABS计算分析软件对案例结构模型进行计算分析，并比较周期比、基底剪力、扭转位移比、倾覆力矩、层间位移角等结构重要指标，以验证各软件计算结果是否具有一致性和有效性。

2.1 周期比

根据规范[5]要求，扭转第一周期和平动第一周期之比不能大于0.90，采用YJK和ETABS模型分别计算，YJK模型计算结果为平动第一周期为0.98s，扭转第一周期为0.85s，周期比为0.86，振型质量参与系数X方向和Y方向分别为90.29%和92.18%。ETABS模型计算结为平动第一周期为0.94s，扭转第一周期为0.84s，周期比为0.89，振型质量参与系数X方向和Y方向分别为90.03%和91.15%，二者计算结果较为接近且均能满足规范的要求，计算结果如表1所示。

表1 宿舍楼YJK和ETABS周期对比

2.2 基底剪力

基底剪力计算时，小震作用采用规范反应谱计算，风荷载按50年一遇风压计算。计算结果如表2所示。

表2 宿舍楼地震和风荷载作用下结构基底剪力

YJK模型计算结果如下：小震作用下X方向基底剪力值为21513kN，Y方向基底剪力值为18575kN，风荷载作用下X方向基底剪力值为3601kN，Y方向基底剪力值为5891kN。

ETABS模型计算结果如下：小震作用下X方向基底剪力值为20004kN，Y方向基底剪力值为19977kN，风荷载作用下X方向基底剪力值为3871kN，Y方向基底剪力值为5890kN。

对比以上结果可知，两者计算结果吻合较好，且X方向风荷载远小于小震，Y方向风荷载小于小震，以小震作用为控制荷载。

2.3 倾覆力矩

倾覆计算时，小震作用同样采用规范反应谱计算，风荷载按50年一遇风压计算。计算结果如表3所示。

表3 宿舍楼地震和风荷载作用下结构倾覆力矩

YJK模型计算结果如下：小震作用下X方向倾覆力矩值为769964kN·m，Y方向倾覆力矩值为639479kN·m，风荷载作用下X方向倾覆力矩值为134091kN·m，Y方向倾覆力矩值为215350kN·m。

ETABS模型计算结果如下：小震作用下X方向倾覆力矩值为800157kN·m，Y方向倾覆力矩值为799077kN·m，风荷载作用下X方向倾覆力矩值为154844kN·m，Y方向倾覆力矩值为235604kN·m。

对比以上结果可知，两者计算结果吻合较好，且根据规范[5]要求，部分框支剪力墙结构框支框架承担的底层地震倾覆力矩不宜大于结构总地震倾覆力矩的50%，两种软件计算所得模型底层框支框架部分承担的地震倾覆弯矩百分比均值X向为约34.1%，Y向为约45.2%，满足规范限值要求。

2.4 层间位移角

计算层间位移角时，按照规范[5]规定进行小震计算和50年一遇风荷载风压计算，计算模型中采用刚性楼板假定。计算结果如表4所示。

表4 宿舍楼地震和风荷载作用下层间位移角

YJK模型计算结果如下：小震作用下最大层间位移角在X方向为1/1827，最大值位于第7层，最大层间位移角在Y方向为1/1320，最大值位于第13层；风荷载作用下最大层间位移角在X方向为1/9999，出最大值位于第7层。最大层间位移角在Y方向为1/6473，最大值位于第12层。

ETABS模型计算结果如下：小震作用下最大层间位移角在X方向为1/1696，最大值位于在第7层，最大层间位移角在Y方向为1/1501，最大值位于在第13层；风荷载作用下最大层间位移角X方向为1/12580，最大值位于在第7层，最大层间位移角在Y方向为1/6590，最大值位于第12层。

YJK和EYABS计算风荷载及地震作用下最大层间位移角相近，且都小于1/800，满足规范要求。

2.5 扭转位移比

由于主要抗侧力构件布置与X和Y方向基本平行，角度小于15度，因此只要计算X和Y方向在偶然偏心率和±5%的情况下的扭转位移比。计算结果如表5所示。

表5 宿舍楼扭转位移比

YJK模型计算结果：在+5%偶然偏心率时，X方向和Y方向最大扭转位移比分别为1.23和1.37，最大值分别位于第4层和第3层。在-5%偶然偏心率时，X方向和Y方向最大扭转位移比分别为1.33和1.29，分别位于第14层和第13层。

ETABS模型计算结果：在±5%偶然偏心率时X方向最大扭转位移比均为1.12，位于第5层，在±5%偶然偏心率时Y方向最大扭转位移比均为1.27，位于第3层。

对比结果可知，两个软件计算结果基本一致，且结构扭转位移比均小于1.5，满足规范要求。

综上所述，YJK、ETABS在周期比、基底剪力、倾覆力矩、层间位移角、扭转位移比等结果重要指标方面，两者计算结果吻合良好，说明两者具有相近的计算规则和方法，可以满足规范对于体型复杂、结构布置复杂以及B级高度高层建筑结构要求两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算这一基本规定，为后续中震下结构计算和大震下结构计算结果对比提供支撑，以此分析结果对超限结构相关部位和重要构件设计提供建议和指导。

3 结语

随着现代技术和人工智能化的发展，结构计算软件更新迭代速度加快，更综合更复杂的计算分析软件也会随之增多，但在使用新一代计算分析软件的计算结果指导工程设计之前，建议对不同计算分析软件之间的计算结果做一个对比，并做出判定，确认安全可靠后再指导设计，以避免滥用计算软件，用失真不可靠的结果指导设计，使设计偏于不安全。

上文所述各软件计算结果对比是有必要的，并验证了YJK和ETABS计算分析软件在小震作用下的计算结果具有一致性和有效性。