常用结构软件比较(ZT)

本人在设计院工作，有机会接触多个结构计算软件，加上自己也喜欢研究软件，故对各种软件的优缺点有一定的了解。现在根据自己的使用体会，从设计人员的角度对各个软件作一个评价，请各位同行指正。本文仅限于混凝土结构计算程序。

　　目前的结构计算程序主要有：PKPM系列（TAT、SATWE）、TBSA系列（TBSA、TBWE、TBSAP）、BSCW、GSCAD、 SAP系列。其他一些结构计算程序如ETABS等，虽然功能强大，且在国外也相当流行，但国内实际上使用的不 多，故不做详细讨论。
一、结构计算程序的分析与比较
　　1、结构主体计算程序的模型与优缺点
从主体计算程序所采用的模型单元来说
　　TAT和TBSA属于结构空间分析的第一代程序，其构件均采用空间杆系单元，其中梁、柱均采用简化的空间杆单元，剪力墙则采用空间薄壁杆单元。在形成单刚后再加入刚性楼板的位移协调矩阵，引入了楼板无限刚性假设，大大减少了结构自由度。 SATWE、TBWE和TBSAP在此基础上加入了墙元，SATWE和TBSAP还加入了楼板分块刚性假设与弹性楼板假设，更能适应复杂的结构。SATWE提供了梁元、等截面圆弧形曲梁单元、柱元、杆元、墙元、弹性楼板单元（包括三角形和矩形薄壳单元、四节点等参薄壳单元）和厚板单元（包括三角形厚板单元和四节点等参厚板单元）。另外，通过与JCCAD的联合，还能实现基础-上部结构的整体协同计算。TBSAP提供的单元除了常用的杆单元、梁柱单元外，还提供了用以计算板的四边形或三角形壳元、墙元、用以计算厚板转换层的八节点四十八自由度三维元、广义单元（包括罚单元与集中单元），以及进行基础计算用的弹性地基梁单元、弹性地基柱单元（桩元）、三角形或四边形弹性地基板单元和地基土元。TBSAP可以对结构进行基础-上部结构-楼板的整体联算。
从计算准确性的角度来说
　　SAP84是最为精确的，其单元类型非常丰富，而且能够对结构进行静力、动力等多种计算。最为关键的是，使用SAP84时能根据结构的实际情况进行单元划分，其计算模型是最为接近实际结构。 BSCW和GSCAD的情况比较特殊，严格说来这两个程序均是前后处理工具，其开发者并没有进行结构计算程序的开发。但BSCW与其计算程序一起出售，因此有必要提一下。BSCW一直是使用广东省建筑设计研究院的一个框剪结构计算软件，这个程序应属于空间协同分析程序，即结构计算的第二代程序（第一代为平面分析，第二代为空间协同，第三代为空间分析）。GSCAD则可以选择生成SS、TBSA、TAT或是SSW的计算数据。SS和SSW均是广东省建筑设计研究院开发的，其中SS采用空间杆系模型，与TBSA、TAT属于同一类软件；而SSW根据其软件说明来看也具有墙元，但不清楚其墙元的类型，而且此程序目前尚未通过鉴定。
薄壁杆件模型的缺点是：
　　 1、没有考虑剪力墙的剪切变形。
　　 2、变形不协调。
　　当结构模型中出现拐角刚域时， 截面的翘曲自由度（对应的杆端力为双力矩）不连续，造成误差。另外由于此模型假定薄壁杆件的断面保持平截面，实际上忽略了各墙肢的次要变形，增大了结构刚度。同一薄壁杆墙肢数越多，刚度增加越大；薄壁杆越多，刚度增加越大。但另一方面，对于剪力墙上的洞口，空间杆系程序只能作为梁进行分析，将实际结构中连梁对墙肢的一段连续约束简化为点约束，削弱了结构刚度。连梁越高，则削弱越大；连梁越多，则削弱越大。所以计算时对实际结构的刚度是增大还是削弱要看墙肢与连梁的比例。
　　 杆单元点接触传力与变形的特点使TBSA、TAT等计算结构转换层时误差较大。因为从实际结构来看，剪力墙与转换结构的连接是线连接（不考虑墙厚的话），实际作用于转换结构的力是不均匀分布力，而杆系模型只能简化为一集中力与一弯矩。
　　另一方面，由于一个薄壁柱只有通过剪心传递力与位移，所以在处理多墙肢薄壁柱转换时十分麻烦，如将剪心与下层柱相连，则令转换梁过于危险，如设置实际并不存在的计算洞令力传至转换梁又会改变上层墙体的变形协调条件（不要相信TBSA手册中所言设连梁高为层高可以解决问题，一段连续约束简化成一个点约束，误差决不会小）。
　　为了解决薄壁柱单元造成剪力墙分析过于粗糙的问题，ETABS、SAP84、SATWE、TBWE、TUS、TBSAP等软件先后引入了墙单元。对于有墙元模型的软件，要分清楚其单元类型。
　　墙元有两种：一是板-梁墙元（又称Wilson嵌板单元模型），这种模型在国外应用较多。其实质是平面单元，把剪力墙简化为一个膜单元+边梁+边柱，基本上是一个由平面单元经改造成的空间单元。剪力墙洞口间部分模型化为一个梁单元，削弱了剪力墙实际的变形协调关系，由前一段的讨论可知这种单元导致整体计算结果偏柔；一是由有限元中的四节点空间壳元缩聚而来的（以下称为板壳墙元），板壳元既有平面内刚度也有平面外刚度，且剪力墙洞口间部分也作为墙元进行整体分析，因此板壳墙元更能精确地分析复杂剪力墙结构。以上几种带有墙元的软件中，ETABS和TUS采用板-梁墙元，SAP84、SATWE和TBSAP均采用壳墙元。TBWE所采用的墙组元实际上是一种改进的薄壁杆件模型，它与普通的薄壁杆件模型的不同之处在于：
　　1、不强求剪力墙为开口截面，可以分析闭口及半开半闭截面；
　　2、其杆件未 知位移取为杆端截面的横向位移和各节点的纵向位移，数目随墙肢节点数增加而增加，不象普通薄壁杆件那样固定为14个，保证了杆件的位移协调；
　　3、采用最小势能原理，建立考虑剪力墙剪切变形的总势能表达式，然后对其求导并令其值为0即建立考虑剪切变形的单元刚度矩阵。墙组元实际上是一种介于薄壁杆件单元和连续体有限元之间的分析单元。
　　从结构分析的准确性来说，从好到差排列依次为：板壳墙元、墙组元、板-梁墙元。
　　另外一个有争议的问题是对异形柱的处理。异形柱在广东又叫短肢剪力墙，虽然名称和剪力墙拉上了关系， 但其计算却不能用剪力墙的方法来算。TBSA用户手册建议将异形柱折算成惯性矩相同的矩形截面柱进行整体分析，取得内力后再进行详细的计算。这种方法用起来很不方便，另外这种折算只能保证两个参数的正确，其他如截面面积、转动惯量等参数都很难与原构件保持一致。
　　目前能直接对异形柱进行计算与绘图的软件有BSCW、 GSCAD和PKPM。由于广东省建筑设计研究院在异形柱的研究方面有比较成熟的理论，因此BSCW和GSCAD对异形柱的计算与绘图极为方便可靠，目前广东省住宅建筑设计常采用短肢剪力墙结构，导致大量的异形柱，因此这两个程序比较流行。在用PMCAD进行输入时，可以看到有不同类型的截面，采用这些截面输入的异形柱可以传递到TAT或SATWE中进行计算，并在PK中进行配筋（仅适用于99年5月以后的Windows版程序），不过PKPM中对异形柱内力的求算并不是通过查表进行（广州城市建设开发总公司设计院编制的广东省异形柱规程采用此方法，这些表格是根据有限元分析的结果编制的），而是参考了多肢剪力墙的配筋方法，在求出作用于形心的弯矩、轴力、剪力后按照材料力学公式分解到异形截面每一关键点的应力，通过积分得到每一段柱肢平面内的弯矩、轴力和剪力，然后以每一直线段柱肢作为一个矩形截面，按对称配筋计算出其钢筋面积。