ETABS,_SAP,_ANSYS高层建筑结构分析.pdf

第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 E T A B S , S A P , A N S Y S 高层建筑结构分析 应用比较 王建李青 华东建筑设计研究院有限公司。 上海 2 0 0 0 0 2 提 要 针对 E T A B S , S 人 P 2 0 0 0 , A N S Y S三种软件，从应用于高层建筑结构分析设计的角度进行对比分 析， 重点从前处理、分析功能、后处理、软件接口 的角度进行比 较， 供结构设计同仁参考。 关健词 E T A B S , S A P 2 0 0 0 , A N S Y S , 高层建筑分析 0高层结构设计软件 目 前国内 用于高层建筑结构分析、设计的软件主要有 P K P M, E T A B S , S A P 2 0 0 0 , A N S Y S , M I D A S 等， 其中国 产软件P K P M应用最为广泛， 其它软件应该说在分析领域都 具有更加强大的功能， 但普遍结合中国规范的能力不如 P K P M. 各软件本身的设计能力也 有高有低，本文主要针对 E T A B S , S A P 2 0 0 0 , A N S Y S三种软件，从应用于高层建筑结构 设计的 角度进行对比 分析，供结构设计同 仁参考。 值得注意的是， 上述3 种软件处在不断的发展完善之中， 不同版本之间功能有所差异， 本文 所述功能 主要 针对 较新的软 件版本 E T A B S v 9 .0 8 , S A P 2 0 0 0 v 1 0 .0 8 , A N S Y S 1 0 .0 ， 对 于不同版本的其它不同功能也略有介绍。 1软件定位 E T A B S E x t e n d e d 3 D A n a ly s is o f B u i l d in g S y s t e m s 正如其名， 似乎是开发者专为 高 层 建筑结构分析、 设计而编写的软件，当结构具有 “ 层” 的概念时， E T A B S 的方便功能 可以 得到很好的体现， 对高层建筑结构而言， 这种优点更加突出。虽然现在很多高层结构 外筒由 于 建筑需 要设计 成倾斜 或曲 线 形. 但内筒 仍多数保持竖 直， 可以 大部分发挥E T A B S “ 层”的功能。 S A P 2 0 0 0 S t r u c t u r a l A n a ly s is P ro g r a m 可以 理 解为专门 用于建 筑、 桥梁的“ 通用”有 限元分析、设计软件， S A P 2 0 0 0 可以 用于 任意平面、空间结构，其强大的功能主要体现在 王睡，男，1 9 7 5 年11月生.工 学博士，高级工程师 . 勺 2 5 “ 第十九届全国高 层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 杆系结构方面， 与实际的建筑和桥梁结构具有较好的建模 “ 结合点” ， 例如节点刚域、 构件 偏心， 甚至结构造价等方面. 较新的S A P 版本加入了实体单元， 模拟楼面加载的功能也 在 V I 。 以上的版本中得到体现。 S A P 2 0 0 0 , E T A B S 同为美国C S I 开发， 两种软件之间象是“ 父子” 或 “ 继承”关系， E T A B S 来自S A P ，加入了更适合楼房结构的特点，同时也去掉了一些更加通用性的功能， 例如实体单元等。 A N S Y S 同N A S T R A N , A B A Q U S 等 许多 软件 一 样 都 是 通 用 有限 元 程 序， 之 所以 在 这 里重点列出，主要还是基于 A N S Y S软件在国内设计单位应用较为广泛。同其它通用有限 元软件类似， A N S Y S 也具有包括电、 磁等其它学科领域的分析内 容， 用于建筑结构分析时 又有其独有的 特性。 相对前面两种软件来说， A N S Y S 应用于结 构分析具 有更多的功能， 例 如基于材料层面的弹塑性分析、 完全大应变分析、 弹塑性屈曲 分析， 以及 较为突出的A P D L 参数化编程、 控制功能， 相应的， 其前后处理就不太方便，需要编制相关的前后处理模块， 一般可通过A P D L作成批处理控制实现。 2前处理 功能子项 E T A B SS A P 2 0 0 0A N S Y S 层的模拟 层的模拟 层概念， 对具有层模型的结 构方便 利用分组 g r o u p 概念、 或空间定位 方法模拟层显示 利用c o m p o n e n t / a s s e m b 卜 概念或空间 定位方法模拟层显示 相似层 有相似层概念， 在相似层编 辑状态下编辑相似层中的 任一平面， 相当于同时编辑 所有相似层平面 无无 主从层概念有主从层概念无无 利用模板 可 否利用 结 构模板 有有无 利用既有模 型快速建 立 模型 可以可以可以 特殊建筑结 构构件模拟 有， 例如次梁、 支撑、 压型 钢板、组合梁 无， 需要通过有限 元概念模拟 无， 需要通过有限元概 念模拟 坐标系 多坐标系皆可定义多 个坐标系 坐标系类型直角坐标直角坐标、 柱坐标 直角坐标、 柱坐标、 球 坐标 定义方式 先 定原 点 严旋 转 先定原点再旋转多种方式 - 7 2 6- 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6年 网格编辑功 能 平面编辑功 能 3 D 编辑功能 几何构成 〔 主 要针对高层 建筑结构 有 有，且为主要建模、编辑方式 有，主要在布置 斜构件时 采用 点模拟质量，线模拟梁、柱、支撑，面模拟墙、楼板等 单元构成几何即单元，可以 定义隐式或显 式划分 荷载及组合 I 荷载工况 同时定义多 个荷载工况、 荷载组合; 先定义荷载， 再定义分析工况， 最后定义荷载组合， 荷载组合 可以定义在分析完成之后进行 可以由几何体划分单 元，或者直接建立节 点、单元， 最后的结构 分析必须在节点、 单元 层面上进行 通过 l o a d s t e p 定义荷 载工况、l o a d c a s e定 义荷载组合，可通过 A P D L 批处理 图形显示速 度 相对较慢、引入O P E N G L 功能后速度提高较大相对较快 3分析功能 功能子项 E T A B SS A P 2 0 0 0A N S Y S 分析功能常规 静力分析 恒、活、风、 地展反应谱、地震弹性时程 屈曲分析无 可进行特征值分 析，获得临界荷 载上限，或用于 确定构件计算长 度系数 可进行特征值屈曲分析、 非线性届曲 分 析; 非线性屈曲分析可以 考虑结构构件 初始缺损，更接近实际情况 施工模拟 通过变刚度实现， 可考虑几何非线性，与S A T W E 施工模拟不同 通过分层或分 组实现 通过分组实现通过死活单元实现 静力弹塑性 P u s h o v e r 适用于杆系结构， 通过指定塑性铰 或设置L I N K 单元， 参照F E N A , A T C , 可进行方便的P U S H O V E R分析求 解过程中需要克服收敛问题 无直接P U S H O V E R 分析，可通过静力非 线性分析实现， 需要预设构件骨架曲线 “ 7 2 7“ 第十九启全国高 层建筑结构学术会议论文2 0 0 6年 对剪力墙结构，可通过等代柱、 等 代支律组合构件模拟， 需要做到静 力等代和非线性滞回关系等代 均要面临采用隐式算法的收敛性问题 动力弹塑性 弹塑性时 程分析 通过L I N K 单元实现， 或通过h i n g e 实现 考虑材料非线性的瞬态分析实现， 对于 混凝土材料构件， 需要预设 构件骨架曲 线， 求解过程中需要克服收 敛问 题 非线性效应 几何非线性可考虑卜A 效应、大位移效应可考虑P 一 △、大位移、大应变效应 材料非线性通过h i n g e 或L I N K 单元实现 材料层面上的弹塑 性模型， 另有多种其 它非线性类型 求解器 静力问题较快较快较快 特征值问题 特征值法、 R 工 T Z 向量法 可以 方便 控制质量系数，满足反应谱要求 多 种 求 解 方 法 B l o c k L a n c z o s , s u b s p a c e , R e d u c e d 等 ， 其中r e d u c e d 方法可以有效控制质址系数， 满足反应 id要求 求解速度硬件要求 主要决定于C P U ,新 版里己 开始考 虑内存加速 取决于C P U 、内存 算法显式/ 隐式隐式算法 隐式算法、 显式算法 特别适用于弹塑 性时程、克服隐式算法的收敛问题 批处理运行 批处理运行顺 序运行多个文件 A P D L 控制 4后处理 功能子项 E T A B SS A P 2 0 0 0 A N S Y S 后处理结果 文件形式 文本文件，或复制到 E X C E L 文件中 直接与 文本 文件、E X C E L 文件、 A C C E S S 文件数据接 口 与文本文件有数据接口， 且 可通过文 件开关、 读写控制 处理数据 分析结果 总信 恳 直接输出总信息， 涵盖 了大部分结构内容， 包 括各工况总反力、 风荷 载、 地震力、剪重比、 位移角、 位移比、 刚重 比、薄弱层判断等 无专门总信息，大部分结 果可通过输出到E X C E L 表 中梢做修改得到。对层间 位移角、 层剪力等需要在 模型中 专门设置些参数 得到 相对较烦琐， 但对大型S程 可通过A P D L 变成批处理文 件。 对部分结果 例如时 程 分析反力等无法直接翰 出， 需要A P D L 命令流处理。 7 2 9 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6年 位移可显示变形图 可显示变形图，如有平面 单元可根据平面单元显 示 c o u n t o u r图 皆可显示构件弯矩，剪力、轴力 可 显示c o u n t o r 圈 分析结果图 形显示 内 力 杆件 构件内力大小以附加图形高度显示 构件内力大小以c o n t o u r 图显 不 内 力 板壳 可显示平面力、 平面力 弯曲 力组合应力， 还可可显示平面力、 平面力可显示平面力、 平面力弯曲力 显示剪力墙构件墙肢、弯曲 力组合应力组合应力 墙梁内力 针对大型结 构体系的处 理措施 结果较直接 可预设设置广义位移、 截面切割等获取数据 一般孺要较完整的后处理 A P D L二次开发 5设计功能 功能子项 E T A B S 设计功能 可设计混凝土框 架、钥框架。 有优化模块，主要基于有限 元层面，较少规范联系。 C I V I L F E M 模块有中国规范 出图功能 可设计混凝土框架、 钥框架、 剪力墙。 暂未提供S R C . 钥管 混凝土结构设 计. 可出平法施工图 6与其它F E A软件、C A D系统数据交互 功能1子项 E T A B S 与 A U T O C A D 可读入、 读出轴网、 平 面、 3 D 模型 可读入、读出3 D 模型 可导入、导出I G E S 模型，通过 第3 方软件进行 I G E S 与 A U T O C A D 模型交互. 一般常用数 据交互过程 1 P K P M S A T W E P K P M S A T W E 数据可导入E T A B S 中文版; 2 E T A B S S A P 2 0 0 0 E T A B S 可导入S A P 2 0 0 0 通过输出 成S 2 K 文件 3 S A P 2 0 0 0 A N S Y S S A P 2 0 0 0 无专门 导入A N S Y S 的相关软件， 但现在有很多接 口 程序或小工具可将S A P 格式转成A N S Y S 格式，在A N S Y S 中梢加调整即可运行; 4 A N S Y S S A P 2 0 0 0 二者部分数据文件接近， 可通过E X C E L 表或文本文件分批 导入，在S A P 中略加调整即可计算。 “ 7 2 9“ 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 7总结 E T A B S , S A P 2 0 0 0 , A N S Y S 是目 前高层建筑结构常用的有限元软件， 其功能仍在不断 加强、完善之中， 不同软件的应用对结构工程师提供了更多的参考依据。 参考文献 1 ] C S I A n a l y s i s R e f e r e n c e M a n u a l , C o m p u t e r s a n d S t r u c t u r e s , I n c . B e r k e l e y , C a l i f o r n i a , U S A 2 0 0 4 年9月 2 ] R e l e a s e 1 0 . 0 D o c u m e n t a t i o n f o r A N S Y S , A N S Y S， 2 0 0 5 0 7 1 8 - 7 3 0-