摘要：本文通过应用结构分析设计软件SAP2000对水泥厂窑头进行计算和分析，阐述了SAP2000在钢混结构设计中的直观性和优越性，同时，结合国内结构分析设计软件PKPM进行了结果对比分析，得出了结构分析设计软件SAP2000在钢混结构设计中的可靠性，为实际工程中的结构有限元分析设计软件的选择提供了一些论证，以便大家在今后的工程中根据结构的具体形式采取更加合理的设计软件。
关键词：结构分析；SAP2000；钢混结构；PKPM
绪论
结构的有限元法分析是随着计算机模拟技术的发展逐步兴起的，目前国内外的结构分析设计软件很多，在国内应用最多的由中国建筑科学研究院PKPKCAD工程部编制的PKPM系列软件，它在国内设计行业占有绝对优势，在工业与民用建筑中得到了广泛的应用。它紧跟行业需求和规范更新，不断推陈出新开发出对行业产生巨大影响的软件产品，使国产自主知识产权的软件十几年来一直占据我国结构设计行业应用和技术的主导地位。而SAP2000是由美国Computer and Structures Inc.（CSI）公司开发和编制的集成化的通用结构分析和设计软件，它可以对建筑结构、工业建筑、桥梁、管道、大坝等不同体系类型的结构分析和设计，也可以根据需要完成世界大多数国家和地区的结构规范设计。作为国际化的结构分析设计软件，它与国内软件的概念和体系存在着一定的区别[1]。SAP2000可以给设计者提供一个直观简洁的视图界面，而且还可以在同一界面中进行结构的建模、分析和设计，同时应用计算机高效准确的分析技术和直观完善的数据展示，已经逐步在国内得到了的推广，特别是从事国外工程项目的设计工作，作为国际通用软件的SAP2000可以更加有效的提高我国设计者的水平和效率，增强我国设计行业在国际平台上的竞争力。同时它还具有强大的荷载定义和结构分析功能，荷载定义包括面荷载、车道荷载、应变荷载、表面压力荷载、孔隙压力荷载、预应力荷载等，结构分析功能包括了模态分析、反应谱分析、屈曲分析、push—over分析及阶段施工分析、非线性动力分析等。
一、工程概况和设计方案
1、窑头算例
坦桑尼亚某水泥厂窑头为钢混结构体系，结构分为两层，第一层为钢筋混凝土框架，第二层为门式钢架，整个结构长度为35.5m，宽度为19.6m，第一层高度为8.2m，第二层高度为7.8m。楼板采用250mm厚的现浇混凝土板，混凝土设计强度等级均取C30，屋面活荷载为0.5KN/m2，楼面有耐火砖区域为25 KN/m2，非耐火砖区域为20 KN/m2，积灰荷载为1KN/m2，基本风压为0.38 KN/m2，设计基本地震加速度值为0.05g，其它荷载为设备荷载。2、方案分析
采用PKPM设计软件进行窑头结构分析时，考虑到混凝土框架和门式刚架材料的不同和门式刚架在混凝土框架中建模的复杂性，以及PKPM不能同时对混凝土框架和门式刚架一起进行计算和分析，我们分别对窑头进行门式刚架建模设计和混凝土框架结构建模设计。而对于SAP2000设计软件，我们采用门式刚架和混凝土框架同时在一个模型中建立的三维设计。PKPM的模型如图1-1，图1-2所示，SAP2000的模型如图1-3所示。
图1-1 PKPM建立的门式刚架模型 图1-2 PKPM建立的混凝土框架模型
图1-3 SAP2000建立的整体模型
二、计算结果
1、PKPM中门式刚架的计算结果
在对门式刚架进行PKPM设计时，采用的是门式刚架二维设计，通过对门式刚架的建模和计算分析，得出某一指定单榀门式刚架在恒载和活载作用下的弯矩图、剪力图，分别如图2-1、图2-2所示。
图2-1 PKPM计算的门式刚架在恒载作用下的弯矩图和剪力图
单位：弯矩（KN·m）；剪力（KN）
图2-2 PKPM计算的门式刚架在活载作用下的弯矩图和剪力图
单位：弯矩（KN·m）；剪力（KN）
2、SAP2000中门式刚架计算结果
应用SAP2000设计软件建立的是三维立体模型，在计算门式刚架的时候，采用不显示其它对象，仅显示指定单榀门刚来对比PKPM中的二维门式刚架的计算结果。SAP2000中门式刚架在恒载和活载作用下的弯矩图、剪力图，分别如图2-3、图2-4所示。
图2-3 SAP2000计算的门式刚架在恒载作用下的弯矩图和剪力图
单位：弯矩（KN·m）；剪力（KN）
图2-4 SAP2000计算的门式刚架在活载作用下的弯矩图和剪力图
单位：弯矩（KN·m）；剪力（KN）
通过对PKPM和SAP2000计算结果的对比分析，可以看出门式刚架在恒载作用下这两种软件计算的弯矩值和剪力值相差很少，差值在2%范围之内，几乎可以认为两者的计算结果一致。然而在活载作用下这两种软件计算的弯矩和剪力值相差30%左右，SAP2000计算的数据相对偏小，经过分析，在同样的活荷载输入情况下，可能是由于SAP2000的整体建模，以及面荷载概念的输入，使得整个结构的受力情况更加符合实际，结构的整体性更强，比单独的考虑单榀框架更加合理。
三、混凝土框架的计算结果
1、混凝土梁配筋面积对比
对于混凝土框架结构的设计，采用相同的主次梁布置，相同的楼面板厚和相同的恒载和活载布置。通过选取10根主要受力主梁的在PKPM中和SAP2000中配筋面积的汇总，得出两种软件计算的梁配筋面积的对比表，如下表3-1所示。
表3-1 混凝土梁配筋面积对比表 单位：mm2
通过对PKPM和SAP2000对混凝土梁配筋面积的对比分析，得出在同样的梁布置和同样的荷载条件下，SAP2000计算的混凝土梁配筋面积相对偏小，只有L7的右上端和L8底部跨中的配筋面积比PKPM计算结果略偏大。PKPM是将布置在楼板上的荷载按照双向板或者单向板的方式传递到各个梁上，在楼板处加刚性隔板，然后进行计算，而不是按照弹性楼板进行受力计算和分析。而SAP2000具有弹性楼板的概念，不是直接把荷载传递到各个梁上，而是在楼板上布置面荷载，利用壳单元进行楼板的受力分析和计算。两者产生差值的原因可能是对楼板的计算假定不一样造成的[2]。相比之下，SAP2000计算的结果更加合理。
四、结论
PKPM设计软件的设计流程是非常简便的，它的操作界面都是一些常规的构件和荷载的输入，设计者很方便进行结构设计，然而它的很多参数和公式都是隐藏在软件的背后，设计者不能进行修改，特别是遇到复杂一些的结构形式，PKPM设计软件的应用会受到一定的影响。而在这方面，SAP2000设计软件将大量的设计参数提供给设计者，让设计者自己来定义和设置这些参数，大大提高了设计者的灵活性和操纵性，在应对复杂的结构形式的情况下，设计者可以根据结构的自身特点，来进行更加合理的设计。通过这两种软件的设计对比，SAP2000在进行楼板设计方面更加合理，在节点方面SAP2000还可以对节点进行三维方向的控制，而PKPM只是二维的平面内外的控制，这些参数的设置，可以使得模型整体性更强，更加符合实际受力情况，
SAP2000设计软件可以使门式刚架和混凝土框架在同一界面中进行展示和操作计算，大大提高了设计者的效率，非常适合钢混结构的设计要求。另外，对于其它的混合结构和复杂的组合构件的设计，SAP2000也可以很好的进行模拟和受力分析。通过对这两种软件设计结果的对比分析，PKPM设计软件在混合结构和复杂的组合构件的设计方面存在一定程度上的局限性。
在计算和分析完成之后，PKPM设计软件可以直接进行结构的梁柱和基础的施工图绘制，特别是在混凝土配筋施工图方面，钢结构节点详图等方面，PKPM设计软件都可以很好的完成，同时还能考虑构造要求，大大方便了设计者对施工图的绘制[3]。而SAP2000却不能进行施工图的绘制，在后期图纸的处理方面非常困难，即使基础的设计，也要将数据导入到SAFE软件中进行验算。如果SAP2000在施工图纸方面能够切合中国制图要求进行开发，将会得到更大的推广。
参考文献：
[1] 北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2006.
[2] 徐丽丽，鹿宁，张文江.结构计算软件SAP2000与PKPM的比较[J].西北水电，2010（5）.
[3] 中国建筑科学研究院.PKPM系列微机建筑结构一CAD系列软件编制原理与用户手册[S].北京：中国建筑科学研究院，1996.
论文作者:乔现平,吴俊杰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/19
标签：荷载论文; 结构论文; 弯矩论文; 剪力论文; 设计软件论文; 混凝土论文; 楼板论文; 《基层建设》2019年第8期论文;