卜偉斐，胡繼超

（1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083；2.江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，萍鄉(xiāng)337055）

隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也由原先的手算發(fā)展為電算，目前市面上常用的有PKPM、SAP2000、MIDAS、ETABS等，這些軟件均有人性化的界面，使用者通過人機(jī)交互輸入一些參數(shù)，軟件套用內(nèi)部已經(jīng)設(shè)計(jì)好的程序進(jìn)行計(jì)算，大大提高了設(shè)計(jì)速度，可見此類軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的作用是舉足輕重的，然而每種軟件程序在設(shè)計(jì)過程中都不可避免地存在這樣或那樣的疏忽或錯(cuò)誤，如果設(shè)計(jì)者不知道“黑匣子”內(nèi)部的運(yùn)算原理將不能凌駕于軟件之上正確地分析錯(cuò)誤原因所在，因此一個(gè)合格的設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)明白軟件的計(jì)算原理、過程及參數(shù)的設(shè)置。本文就SAP2000和MIDAS在設(shè)計(jì)工作過程中存在的問題及應(yīng)當(dāng)注意的一些細(xì)節(jié)提出自己的看法，以供設(shè)計(jì)參考。

1 SAP與MIDAS軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中存在的問題

1.1 MIDAS對(duì)自定義截面的構(gòu)件不能進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SAP2000和MIDAS均具有用截面設(shè)計(jì)器自定義截面庫(kù)中沒有的截面的功能，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為廣泛。然而在實(shí)際的操作過程中發(fā)現(xiàn)這樣的細(xì)節(jié)問題：

（1）SAP2000中構(gòu)件截面用截面設(shè)計(jì)器定義之后，無論構(gòu)件板厚多少，其材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均取其牌號(hào)中最小的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。這樣計(jì)算是出于保守考慮。

（2）用MIDAS對(duì)自定義截面的構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示信息：構(gòu)件截面不存在；構(gòu)件類型不存在，無法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由此可見MIDAS對(duì)自定義截面的構(gòu)件不能進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此為MIDAS軟件亟需完善的部分之一。

1.2 SAP2000對(duì)無側(cè)移框架的結(jié)構(gòu)分析不準(zhǔn)確

為了對(duì)比2種軟件有、無側(cè)移計(jì)算的有效性，建一簡(jiǎn)單框架，簡(jiǎn)圖如圖1所示。對(duì)同一模型分別選擇有側(cè)移和無側(cè)移計(jì)算選項(xiàng)，因其計(jì)算數(shù)內(nèi)容較多，現(xiàn)只將對(duì)比結(jié)果分析如下：

圖1 計(jì)算簡(jiǎn)圖

（1）SAP2000中無側(cè)移計(jì)算結(jié)果與有側(cè)移計(jì)算結(jié)果相同。

（2）MIDAS中無側(cè)移結(jié)果與有側(cè)移計(jì)算結(jié)果不同。由此對(duì)比結(jié)果可知：SAP2000不能準(zhǔn)確計(jì)算無側(cè)移框架的內(nèi)力。

2 SAP與MIDAS軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng)

2.1 SAP2000中程序可以準(zhǔn)確計(jì)算、傳遞樓板自重

過去使用SAP時(shí)，樓板的自重均按單、雙向板將樓板的面荷載折成線荷載加載到梁上來考慮。如果樓層數(shù)量較少，此法還算可行，否則此過程必將煩瑣且容易出錯(cuò)。因此驗(yàn)算程序能否準(zhǔn)確計(jì)算并傳遞樓板自重就顯得很必要?，F(xiàn)建一簡(jiǎn)單模型，如圖2所示：柱高為3m，柱距分別為6m和2m，板厚為100mm。

首先用面荷載折成線荷載的方法：將板屬性中的自重系數(shù)調(diào)為0，將樓板自重按面荷載折成線荷載加到長(zhǎng)為6m的梁上，經(jīng)運(yùn)行分析得跨中彎距為2.32kN·m，梁端為－4.66kN·m。

手動(dòng)輸入面荷載的方法：將板自重調(diào)為0，將樓板自重2.35kN／m2以面荷載加到樓板面上，經(jīng)計(jì)算得6m長(zhǎng)梁跨中彎距為2.33kN·m，梁端為－4.56kN·m。

程序自動(dòng)計(jì)算樓板荷載的方法：將板自重系數(shù)調(diào)為1，不加任何外荷載，只計(jì)算樓板自重，經(jīng)運(yùn)行計(jì)算6m長(zhǎng)梁跨中彎距為2.33kN·m，梁端為－4.56kN·m。

圖2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

對(duì)3種方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知：程序自動(dòng)計(jì)算樓板自重的結(jié)果與手動(dòng)輸入面荷載的計(jì)算結(jié)果一致，與近似方法—面荷載折成線荷載的結(jié)果偏差小于2.2%。計(jì)算結(jié)果表明，SAP2000自動(dòng)計(jì)算樓板自重是可行的，以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以采用此法以提高設(shè)計(jì)速度和準(zhǔn)確度。

2.2 SAP2000計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤提示

用SAP2000進(jìn)行規(guī)范檢查，常見的錯(cuò)誤提示有：“λy＞is less than or equal to zero；section is slender”。遇到這些錯(cuò)誤提示，只有正確地理解錯(cuò)誤的原因，才能有效地修改模型。

經(jīng)過多次試算發(fā)現(xiàn)，SAP2000計(jì)算φb時(shí)，無論截面是軋制還是焊接，均采用B.5近似公式進(jìn)行計(jì)算，而此公式的計(jì)算前提是所以當(dāng)構(gòu)件的時(shí)，SAP出現(xiàn)了錯(cuò)誤提示，但此時(shí)構(gòu)件不一定會(huì)整體失穩(wěn)。此時(shí)不一定非得調(diào)整構(gòu)件截面或長(zhǎng)度，而是對(duì)局部有錯(cuò)誤提示的構(gòu)件，據(jù)其截面形式和成型條件，選擇合適的計(jì)算公式手算，若手算可以通過，即可忽略此條錯(cuò)誤信息。

（2）phib is less than or equal to zero

根據(jù)計(jì)算公式：φb＝1.07當(dāng)φb＝0時(shí)，λy＝217。當(dāng)構(gòu)件的120＜λy＜217時(shí)，顯示第一條錯(cuò)誤提示；當(dāng)λy＞217時(shí)，顯示本條錯(cuò)誤信息，此時(shí)構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比過大，需要縮短構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度或調(diào)整截面擴(kuò)大截面的回轉(zhuǎn)半徑。

（3）section is slender

GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.3.8條規(guī)定：梁受壓翼緣自由外伸寬度b與其厚度t之比應(yīng)符合時(shí)，SAP提示本條錯(cuò)誤信息，意為構(gòu)件截面不滿足構(gòu)造要求，將發(fā)生局部失穩(wěn)，此時(shí)應(yīng)調(diào)整截面翼緣的寬厚比。

2.3 風(fēng)荷載的施加

風(fēng)荷載可以手動(dòng)施加也可以程序自動(dòng)施加。SAP中的風(fēng)力作用來自剛性樓板范圍的施加方法和MIDAS的施加方法是一致的，都必須先定義剛性樓板。風(fēng)荷載最終施加到各層的剛性樓板的質(zhì)心。此法的弊端是不能分層指定風(fēng)荷載的體型系數(shù)。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑，因其有多種體型系數(shù)，用上述方法施加風(fēng)荷載就不合理。SAP可以采用風(fēng)荷載來自面對(duì)象，通過設(shè)置虛面，對(duì)不同的虛面指定不同的風(fēng)荷載體型系數(shù)來施加。而MIDAS只能通過手算以附加風(fēng)荷載的形式手動(dòng)添加到模型中。與SAP相比，MIDAS在施加復(fù)雜結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載時(shí)就顯得不簡(jiǎn)捷。

2.4 非線性組合問題

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中我們常說的組合為線性組合，對(duì)于線性問題，線性結(jié)果是可以疊加的，即荷載工況組合與分析工況組合的結(jié)果是一致的。對(duì)于非線性問題，其結(jié)果通常是不能疊加的，在計(jì)算之前必須要將荷載進(jìn)行組合以形成一種荷載工況。SAP和MIDAS都可以正確處理，SAP在分析工況中定義非線性組合工況實(shí)現(xiàn)，而MIDAS在荷載／由荷載組合建立荷載工況實(shí)現(xiàn)。兩者異曲同工。

3 結(jié)語

通過對(duì)SAP2000和MIDAS軟件的對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

（1）SAP自動(dòng)計(jì)算樓板自重，其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可行。

（2）SAP中穩(wěn)定系數(shù)僅以 GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》B.5的近似公式計(jì)算，而MIDAS僅以GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》B.2表進(jìn)行計(jì)算。

（3）MIDAS不能對(duì)自定義截面的構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）SAP用截面設(shè)計(jì)器定義截面后，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取各牌號(hào)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的最小值。

（5）MIDAS使用程序自動(dòng)添加風(fēng)荷載時(shí)，先應(yīng)設(shè)置剛性樓板。

（6）SAP不能計(jì)算無側(cè)移框架結(jié)構(gòu)。

[1]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]北京金土木軟件有限公司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2006：141－152.

[3]北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.分析與設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011：10－15.