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第七章抗震软件介绍第一节前言 目前结构抗震分析软件主要是有限元程序软件 它一般可分为通用有限元分析程序和结构专用分析程序 前者单元类型多 适应性强 功能强大 不足之处是不能像专用分析程序那样针对结构的特点加入一些特殊的处理功能 专用程序虽使用起来比较方便但不能像通用分析软件那样可以灵活地模拟各种复杂的结构形式 结构线性地震反应分析的理论研究工作已发展的较为完善 无论多么复杂的结构体系 只要结构的计算模型简化的合理都能得到满足一定工程精度要求的结果 国外已开发了很多可用于抗震计算的软件 具有代表性的软件有SAP90 SAP2000 SAP91 SUPER ETABS ANSYS等 第二节国外的软件介绍 一 SAP90和SAP2000上个世纪70年代初 Willson美国教授等人编制了结构同用有限元分析程序SAP5 随后该程序在国际上得到了极其广泛的应用 20世纪80年代 又推出微机版本 近二十几年 在结构分析领域没有一个程序能代替SAP5或SAP80 此后 Willson教授等人综合了有关的新理论及新分析方法 又编制了一个全新的结构有限元分析程序SAP90 SAP2000版本 其设计功能是将美国 加拿大和新西兰等国的设计规范和常用的设计材料特性编入程序 根据计算分析结果 直接进行下一步设计 极大地提高了设计效率 而且它不但可用于线性分析还可用于非线性分析 除此以外 它还具有一个界面友好 功能强大的图形界面 从建立模型 到计算分析 到结果整理显示 直至结构设计可完全在这一图形界面下进行 二 SAP91SAP91是美国Algor公司发展的有限元通用分析程序 它可以进行线性和非线性以及复合材料结构的有限元分析 其线性分析程序一为SAP5蓝本 将SAP5的格式输入改为自由格式 该程序的主要特点是前后处理做的非常好 智能化很高 前处理采用图形输入大大节约了准备数据的工作量 后处理图形显示变形及应力分布等 使计算结果的分析与处理极为简便 但其不便之处是不能输出结构整体反应信息 三 SUPER ETABSSUPER ETABS是美国Berkeley地震工程研究中心发展的高层建筑三维专用有限元分析程序 20世纪80年代中期至90年代 得到较广泛的应用 这一程序采用空间协同工作体系 是拟三维分析程序 其主要优点是针对结构的特点进行编制 可以输出结构反应的总体信息 如层间位移 剪力 基底剪力等 使用起来比较方便 不足之处是它并非完全三维空间分析程序 协同工作假定带来一定误差 四 ANSYSANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机分析和设计软件 可用来求解结构 流体 电力 电磁场及碰撞等问题 它具有200左右个单元 可以模拟各种力学特性 ANSYS的使用有两个模式 一是交互模式 另一是非交互模式 进入ANSYS软件后 逐一执行命令完成分析工作 包括建立模型 查看模型 修改模型 保存文件 打印图形及分析结果的获得等 一般无特别原因 皆使用交互模式 第三节国内的软件介绍 一 TBSA系列软件TBSA系列软件是我国建筑科学研究院发展的高层结构专用程序 这一程序前后处理和程序主体均针对结构特点编制 采用菜单操作 图形化输入几何数据和荷载 除结构反应外 还可按现行规范给出结构的参考配筋 因而在设计部门收到了广泛的欢迎和应用 根据需要 建研院又发展了MTBSA 它采用楼板分块刚性假定 从而可以计算多塔高层等特殊结构 TBSA系列软件对抗震墙的离散采用薄壁柱单元 这类单元的优点是自由度较少 使用分析得到一定的简化 但又是难以满足精度的要求 SATWE也是我国建研院发展的高层建筑专用三维空间有限元分析程序 其主要功能以及输入方式与系列软件相类似 不同之处在于以板壳单元和抗弯板单元迭合而成 因而即可以考虑平面内刚度 又可考平面外刚度 单元内的洞口采用自动细分单元后通过静力凝聚将内部自由度凝聚掉 以保持有限出口自由度 板壳单元是目前模拟墙的最好单元 选用这一单元并对墙开洞作了自动处理是该程序受到广泛欢迎的重要原因之一 二 SATWE 它是由中国建筑科学研究院结构所开发 覆盖建筑结构CAD的各个部分 包含有 框 排架 框 剪 砖混及底框等各种工业与民用多 高层建筑的计算与绘图模块 钢结构计算模块 弹性地基梁与筏基 桩基与桩筏 箱基 独立基础和条基等丰富配套的基础CAD模块 各类普通楼梯 螺旋楼梯 悬挑楼梯等简便快捷的楼梯CAD模块 三 PKPM建筑结构CAD系列软件 九九年 PKPM软件已全部升级至Windows95 98 2000平台 结构部分软件分为10多个模块 1 率先推出集 概予算 建筑 结构 设备 设计于一体的集成化CAD系统 一 PKPM系列CAD系统的主要特点 从建筑方案设计开始 建立建筑物整体的公用数据库 平面布置 柱网轴线等全部数据可用于结构设计 可自动为上部结构及各种基础提供数据文件 可为设备软件自动生成设备条件图 大大提高了工作效率 并做到各专业数据共享 协调一致 1997年已推出概予算软件 可直接运用本系统中建筑和结构软件形成的数据 自动 快速 准确地完成工程量统计 并按当地定额作出概予算书 PKPM系列已成为大型综合的建筑工程CAD系统 2 建筑软件APM可完成渲染动画等建筑方案及平 立 剖大样的设计与施工图 采用独立开发的三维造型图形环境 以更快更方便的手段和更丰富的色彩光影完成建筑方案造型 渲染 动画制作 备有常用图库及纹理材料库 其成图适用性强 有较高的自动化程度 并可从不同高度和角度进行透视及进行建筑内漫游观察 3 结构软件配备齐全 已完成数百万张施工图 结构类型包括框 排架 框 剪 砖混及底框上砖房等工业与民用 多层与高层建筑 以及钢结构和预应力结构 4 备CAD软件 给排水 电气 采暖 通风空调 实现设计与绘图一体化 5 全自主版权的操作平台 独特的人机交互输入方式 简便易学 6 独家推出该系统网络版 支持设计单位向网络化发展 二 PK软件的功能简介1 钢筋混凝土框架 框排架 连续梁结构设计计算功能 1 适用于工业与民用建筑中各种规则和复杂类型的框架结构 框排架结构 排架结构 剪力墙简化成的墙式的框架结构及连续梁 规模在30层 20跨以内 可处理梁柱正交或斜交 梁错层 抽梁抽柱 底层柱不等高 铰接屋面梁等各种情况 可在任意位置设置挑梁 牛腿和次梁 可绘制十几种截面形式的梁 可绘制折梁 加腋梁 变截面梁 矩形 工字梁 圆型柱或排架柱 且柱箍筋形式具有多样 7 与三维分析软件TAT SATWE 和PMSAP接口 绘制100层以下高层建筑的梁柱图 2 按新规范要求作强柱弱梁 强剪弱弯 节点核心 柱轴压比 柱体积配箍率的计算与验算 还进行罕遇地震下薄弱层的弹塑性位移计算和坚向地震力计算和框架梁裂缝宽度计算 3 新规范和构造手册自动完成构造钢筋的配置 4 有很强的自动选筋 布图 设构造筋的方式 5 菜单提示下 可输入丰富的计算简图 结果图形 模板图及钢筋材料表 6 与 PMCAD 软件连接 自动导荷 并生成结构计算所需的数据文件 2 排架绘图功能及主要技术条件 1 适用于工业与民用建筑中各种规则和复杂类型框架结构 框排架结构 排结构 梁柱整体画图时的规模在20层以下20跨度以内 梁柱各300根以内 梁柱分开画的规模在330根柱 300根梁 20层 20跨以内 梁柱正交或斜交 可以错层 同层各跨梁可有高差 底层或中层任意部位可抽梁抽柱 底层柱可不等高 顶层柱可铰接屋面梁 可在框架任意位置设置挑梁或牛腿 框架梁上任意位置设次梁 可绘制十几种截面形式的梁 且柱箍筋且有多样性 还可绘制折梁或变截面梁 2 提供三种框架出图方式可按框架整体出图 也可以按梁柱分开画出图 还可以按广东地区梁表柱表格式出图 框架整体出图时 施工图有框架立面图 梁 柱剖面图和钢筋明细表组成 框架立面图由梁柱整体组成 标有柱 梁剖面索引 钢筋索引与切断位置 箍筋位置 节点明细 各层标高等 剖面图示出剖面形状 尺寸 钢筋根数 排列与编号 钢筋明细表列出每种钢筋的形状 尺寸 根数与重量 主材汇总表给出整榀框架的钢筋与柱 梁混凝土用量 3 排架柱绘图 1 单层排架的计算与排架柱的施工图绘制 结构计算仍由计算软件PK主菜单二完成 施工图由主菜单四完成 2 施工图纸的版面布置及分页自动进行 每根排架柱布置在一张图上 有排架柱的模板立面图 配筋立面图 柱与牛腿的剖面图 钢筋表组成 3 在排架与框排架结构计算时 柱段总根数 45根 有吊车荷载的跨数 7跨 排架的跨数 9跨 排架柱的柱段总数 25根 3 归类合并功能将构造相同的钢筋归为同一种钢筋 将截面形状尺寸相同 且布筋相同的柱 梁剖面归为同一类剖面 将柱 梁构造与配筋完全相同的层归并为同一层 构造与配筋皆相同的层在框架立面图上仅画出一层 但用标高和注释表明其所包含表示的层数 4 提供给计算人员多种干预梁柱钢筋直径与根数的方式 5 自动布置图纸版面 3 主要操作步骤 1 计算机模型输入 2 结构计算 3 做施工图设计 第四节设计例题 例一 PKPM结算框架示例设计资料 某二跨三层框架如图7 3所示 混凝土强度采用C30 受力钢筋为HRB335 柱梁箍筋为HPB235 抗震等级三级 地震裂度7度 场地土为 类 结构计算简图如图7 3所示 梁 柱载面尺寸为括号中所标值 结构受恒载 活载及风荷载分别如图7 4 图7 5 图7 6 试用 软件解算结构内力 并绘制框架梁 柱配筋施工图 数据的输入与检验 点击在windows桌面上的PKPMCAD文件夹图标 弹出下图 图7 7 注意 一是检查S 1软件锁是否插在USB口上 二是将机器中已装载的金山毒霸 Realplay等软件关闭 否则计算机可能出现系统错误 点击图7 8中PKPM主菜单的快捷方式图标 弹出图7 9结构平面计算机辅助设计菜单 该菜单中左侧有PMCAD PK TAT 8 SAT 8 TAT等可选项 单击PK 弹出如图7 10菜单 图7 8PKPMCAD主菜单图标 图7 9 图7 10 图7 10为框排架计算机辅助设计菜单 其中部右侧图框中有PK数据交互输入和数检 框 排架结构计算 框架绘图等 项可选命令 下部当前工作目录框内可键入工作目录 例如 键入 PKPMWORK 设计 将来有关数据文件将被存贮于该目录之中 单击 数据交互输入数检命令 弹出7 11菜单 该菜单提供了新建文件 打开已有交互文件 打开已有数据文件 直接进行数据检查及退出命令 对第一次计算应选择新建文件命令 单击后弹出图7 12所示 平面杆系人机交互建模菜单 该菜单中有网格生成 柱布置 梁布置等 个可选命令 图7 11 图7 12 单击网格生成命令 出现7 13菜单 该菜单含有回前菜单 两点直线 平行直线 删除图素等13个命令可供选择 由于本例框架是规则框架 故可用快速建模来完成 图7 13 单击快捷建模命令 弹出图7 14 并单击框架命令 弹出框架网线输入导向菜单 按左侧提示 分别输入层高跨度值 右侧便会显示出计算简图及总跨度 总高度的数值 图7 14 单击快捷建模命令 弹出图7 14 并单击框架命令 弹出框架网线输入导向菜单 按左侧提示 分别输入层高跨度值 右侧便会显示出计算简图及总跨度 总高度的数值 回前菜单 退回到图7 12状态 选柱布置 弹出图7 15画面 按弹出的柱子截面数据子菜单提示便可定义柱子截面 退回前菜单 同理可定义梁的截面尺寸 图7 15 单击图7 12中恒载输入 弹出图7 16所示画面 点击梁间荷载 出现梁间荷载输入子菜单 可输入均布荷载 集中荷载 三角形 梯形分布荷载等多种形式 并在右侧的荷载数据输入中键入具体数值 同一梁 柱可同时作用上述多荷载 荷载确定后 鼠标指向选定的梁单击 便可自动生成梁的恒载 同理可输入柱的恒载 梁的活载 柱的活载 输入风荷载 如图7 17 点击节点左风命令 屏幕下部将提示 输入节点水平风力 的提示下 输入风荷载值 移动鼠标至框架受力节点 单击左键便可在该点布置完成集中荷载 图7 17 同理可布置柱间风荷载 图7 18 9 退回到14 10菜单 单击参数输入 弹出图14 16画面 总信息参数子菜单 输入柱混凝土 梁混凝土强度等级 柱梁主筋 箍筋级别 主筋保护层厚度 支座弯矩调幅系数 梁惯性矩增大系数 结构重及性系数 然后点击子菜单的上部 地震计算参数 命令 出现图7 19画面 图7 19 图7 19 按提示依次输入抗震等级 计算振型个数 地震烈度 场地土类别及计算周期折减系数 阻尼比等参数 单击上部的 结构类型 命令 弹出图7 20画面 图7 20 选择结构类型为 框架 单击上部的 分项及组合系数 命令 出现图7 21画面 图7 21 可在7 21画面图框内输入荷载分项系数 荷载组合系数及地震作用组合时荷载组合系数 单击上部 补充参数 命令 出现图7 22画面 图7 22 10 返回到图7 12 单击右侧 补充数据 命令 出现图7 23画面 如基础选用锥形基础 据左侧提示可输入附加墙重量 基础埋深 基础高度等相关参数 输入完毕 点击确定键 建模结束 接下来出现图7 24画面 提示输入文件名 如输入 ZDQ28 则计算机将自动生成ZDQ28 SJ的文本文件 存贮建模信息 图7 23 图7 24 三 框架结构计算重新进入到图7 10画面 单击右框中的 框排架结构计算 命令 出现图7 25 PK内力计算结果图形输出菜单 从此菜单中可获取弯矩包络图 轴力包络图 恒载内力图 剪力包络图 配筋包络图等各种信息 如单击 轴力包络图 命令可出现图7 24画面 单击 弯矩包络图 可弹出7 27画面 图7 25 图7 26轴力包络图 图7 27弯矩包络图 图7 28配筋包络图 四 施工图的绘制返回到7 10 单击 框架绘图 命令 出现图7 30 PK 钢筋混凝土梁柱配筋施工图主菜单 画面 该菜单有 采用前次绘图文件已定义的参数 人机交互方式建立绘图数据文件 直接输入已建立绘图数据库文件 三种输入方式 单击 人机交互方式建立绘图数据文件 命令 出现如图7 31所示 选筋时的归并放大系数 柱钢筋放大系数 等输入项 依次输入后 单击 绘图参数 命令 出现图7 32画面 在此菜单中可以确定 输出图纸的图号 比例 是否绘出梁钢筋编号对应的钢筋表 等相关信息 图7 29 图7 30 图7 31 单击图7 31中 钢筋信息 命令 出现图7 32画