高层建筑结构计算软件的计算模型与应用探讨

李 青

目前，在结构设计中，大量的手工计算被计算机所代替。结构专业辅助设计软件很多，仅高层建筑结构设计计算软件就有:中国建筑科学研究院高层所编制的TBSA，TBWE;中国建筑科学研究院结构所编制的TAT，SATWE;清华大学建筑设计研究院编制的TUS/ADBW;中国建筑科学研究院抗震所编制的CTAB;北京大学力学系编制的SAP84;美国CSI公司编制的ETABS等等不胜枚举。现就国内研究，目前最流行的TBSA，TBWE，TUS/ADBW做以比较，供广大设计人员参考。首先，让我们了解一下高层建筑结构内力分析和配筋计算程序的发展过程:

20世纪70年代～80年代初，计算机容量很小，运算速度很低，采取单片平面框架进行计算，这种粗略的计算方法只适用于平面和体型简单规则的框架，而且手工工作量很大。80年代初开始采用空间协同工作的分析方法，将高层建筑结构划分为若干片正交或斜交的平面抗侧力结构。对任一方向的水平荷载和水平地震力，所有正交或斜交的平面抗侧力结构均参加工作，由空间位移协调条件进行水平力的分配。由于是人为的划分平面结构进行分析，必然存在一些问题，主要是适用范围受到限制，同一柱(墙)分别属于纵向或横向框架，轴向力计算值不一样存在轴向变形不协调的问题。近年来，高层建筑结构计算向国际接轨，参照国际流行的有限元分析软件Super SAP92力学模型，基于壳元、墙组元理论的空间组合结构有限元分析软件应运而生。

1 TBSA软件计算模型及特点

1987年，中国建筑科学研究院高层所编制的高层建筑结构计算软件TBSA，首次提出杆件—薄壁杆系三维空间体系理论这种方法。将高层建筑结构视为杆件(梁、柱)和薄壁杆件(墙)的集合，空间杆件每端有6个自由度，薄壁杆件有7个自由度(多1个截面翘曲角)。根据符拉索夫的薄壁理论导出薄壁柱的单刚矩阵。对于梁、柱采用有限单元法空间杆件理论形成其刚度矩阵，考虑剪切变形的影响，薄壁柱不考虑剪切变形的影响。按矩阵位移法直接由单元刚度形成总刚度矩阵后求解。引进的基本假设是楼板在其平面内刚度无限大，每一楼层有3个公共自由度，即两个方向的侧移和绕结构形心的转角。

该软件的另一突破是由传统的手工填表方式改为交互式输入方式，程序自动导荷载，免去设计人员手工计算荷载之繁琐。该软件前后处理方法堪称结构计算机辅助设计的楷模，现在开发的软件，前后处理方法几乎都以它为范本。由于当时微机硬件条件所限，该软件还考虑了分段计算，采用分块技术及建立数据文件管理系统，各块之间相互关联又相互独立，程序中断再恢复功能。

2 TBWE软件计算模型及特点

中国建筑科学研究院高层所编制的TBWE是大型机高层计算程序SATS的微机改进版。对于梁、柱采用空间杆件进行分析，对于剪力墙TBWE用墙组元代替SATA中的薄壁柱元。所谓墙组元指在层高范围内，连接在一起的一组墙称为一个墙组。墙组截面可以是开口截面、闭口截面或半开半闭截面。墙组元从外观上与薄壁柱元类似，但对受力和变形状态的描述却有根本的不同。薄壁柱不考虑剪切变形的影响，墙组元考虑剪切变形的影响，用截面任意参考点P的两个水平位移Ux，Uy和截面扭转角δ，以及各节点的竖向位移W1，W2…描述变形状态。未知量的个数随节点数增加而增加，是不固定的。墙组元直接采用竖向位移作为未知量，多点直接传力变形协调对截面应力状态描述直观，具有一般有限元的优点。计算假定:楼板在其平面内无限刚性。

3 TUS/ADBW软件计算模型及特点

清华大学建筑设计研究院编制的TUS/ADBW软件采用板梁墙模型，这种模型把洞口或有较小洞口的一片剪力墙模型化为一个Panel单元、把有较大洞口的一片剪力墙模型化为一个由板—梁组成的板—梁体系，即把洞口两侧部分作为两个Panel单元，上下层剪力墙洞口之间部分作为一根连系梁。Panel单元由核心板、边梁和边柱三部分组成。另外还有中国建筑科学研究院结构所编制的TAT软件及中国建筑科学研究院结构所编制的SATWE软件，受篇幅所限，本人没有对该软件与SATWE软件进行实例比较的条件，在此不做详细评述。

4 结语

近年来，国内分析高层建筑结构的计算软件主要采用三种模型，这三种模型在分析梁柱时都采用空间杆单元，最主要的区别在于如何分析剪力墙。这三种模型分别为薄壁杆模型、一般有限元模型、板—梁墙元模型。薄壁杆模型即以上所述的TBSA，TAT软件，适用于各种平面布置、未知量少、对称规则的结构，其计算精度足够，对分析高度较大，结构布置是竖向布置规则的高层结构(筒中筒、框筒结构等)，这种模型被公认是较理想的模型。TBSA，TAT软件的前后处理功能强、操作简单、分析效率高，是目前我国用户最多的结构分析软件。但用于分析高度较低、结构布置复杂，这种模型存在一些缺点:主要是薄壁杆理论不考虑剪切变形的影响，不能反映剪力滞后现象、高估剪力墙的刚度，当结构布置复杂时变形不协调，不考虑楼板弹性变形影响。在以下集中情况下，用薄壁杆件模型分析时有一些误差:剪力墙竖向布置变化较大;有较多长而矮的剪力墙;剪力墙墙肢连接复杂;剪力墙洞口上下不对齐;有框肢剪力墙;有较大集中荷载作用。

清华大学建筑设计研究院编制的TUS/ADBW软件，计算速度相对较快，结构自由度较少，且较薄壁柱模型更精确。存在问题:对于复杂工程特别是剪力墙洞口上下不对齐、不等宽时，为使上下层之间的单元角点变形协调，计算单元有可能被划分的又细又长，造成单元刚度奇异，使分析结果失真。

因此建议设计人员对于规则的结构可采用薄壁柱模型的程序(TBSA或TAT)进行计算分析，复杂的结构采用壳元模型(SATWE)进行计算分析。板—梁墙模型的性能介于上述两种模型之间。

建设部明文规定，重要的高层结构计算时，至少用两种不同的模型软件进行计算。本文可供设计人员进行高层设计时参考。

［1］ ISBN∶1511214597，建筑结构设计规范［S］．

［2］ GB 50011-2001，建筑抗震设计规范［S］．

［3］ 黄本才．高层建筑结构计算与设计［M］．上海:同济大学出版社，1998．

［4］ 杨秋红，韦锦兵．多高层结构计算软件选择初探［J］．广西工学院学报，1999(4):39-40．

［5］ 张锡治，刘文彬．当前通用结构分析软件在建筑结构分析中的应用［A］．第九届全国结构工程学术会议论文集［C］．2000．

［6］ 谭俊清．高层建筑结构优化设计的研究与软件开发［D］．西安:西安建筑科技大学(CNKI:CDMD:2．2001．003441)，2001．

［7］ 华侨大学土木工程系．高层建筑结构计算软件中的剪力墙模型简化［J］．福建建筑(CNKI:SUN:FJJZ．0．2002-01-010)，2002(1):42-43．