CSI高层建筑结构分析与设计

语言：英语
网址：http://www.csiberkeley.com/products_ETABS.html
类型：高层建筑结构分析与设计

ETABS——国际领先的建筑结构分析与设计软件
ETABS是由CSI公司开发研制的房屋建筑结构分析与设计软件，ETABS已有近三十年的发展历史，是美国乃至全球公认的高层结构计算程序，在世界范围内广泛应用，是房屋建筑结构分析与设计软件的业界标准。目前，ETABS已经发展成为一个建筑结构分析与设计的集成化环境：系统利用图形化的用户界面来建立一个建筑结构的实体模型对象，通过先进的有限元模型和自定义标准规范接口技术来进行结构分析与设计，实现了精确的计算分析过程和用户可自定义的（选择不同国家和地区）设计规范来进行结构设计工作。
ETABS除一般高层结构计算功能外，还可计算钢结构、钩、顶、弹簧、结构阻尼运动、斜板、变截面梁或腋梁等特殊构件和结构非线性计算（Pushover， Buckling，施工顺序加载等），甚至可以计算结构基础隔震问题，功能非常强大。
ETABS已经贯入的规范包括：UBC94、UBC97、IBC2000、ACI、ASCE（美国规范系列），欧洲规范以及其他国家和地区的规范。ETABS在全世界超过100个国家和地区销售，超过10万的结构工程师在用它来做设计工作。
代表当今科技发展水平的集成建筑设计系统ETABS，被美国钢结构协会（AISC）授予2002年现代钢结构建筑荣誉产品奖（HOT PRODUCTS HONOR AWARD）。在过去的二十五年中，ETABS被公认为建筑分析设计国际标准，为世界上主要的标志性建筑所采用，该软件也被数以千计的教育机构作为研究和教育工具。如今，新版的ETABS带有完全集成的面向对象的分析、设计、优化、制图和加工数字环境将要在未来的二十五年中重新确立数字技术及其生产力的标准，并且引领一个新的数字技术时代。直观的、功能强大的、基于数字技术的图形用户界面使得工程师能够在几个小时内进行完全的设计，组织平面和确定用钢量，不需要烦琐的循环手工确定构件尺寸来满足强度和位移要求。ETABS新的复杂分析方法解决了结构工程师努力了几十年的建筑设计的许多难点，如计算楼板作为传递剪力的隔板的剪应力和隔板Chord & Collector力，泊车结构、直线和曲线斜坡的建模，节点板区变形效果建模，施工过程加载效应以及很多很多。2001年，由于GUI的潜力和ETABS技术上的领先，AISC委托CSI建立一个特殊模板支持交错桁架设计。AISC与CSI合作开展了一系列国际研讨会来探讨交错桁架结构体系的设计方法，ETABS已经实现了解决交错桁架设计中复杂问题的功能。
一、引言
由于工程结构的日益复杂性和计算机软件技术的发展，现代结构工程的计算和设计很大程度上要依靠相关软件，可以这样说结构分析与设计软件是结构工程师的最重要的工具之一。
当前国内的结构设计软件以国产软件为主，国外的更为先进的结构设计软件由于不能完全符合中国规范的相关规定，很大程度上是作为超高超限的高层建筑结构的对比分析软件来使用。中国的结构规范同西方国家有较大差别，限于经济水平的原因，我们不可能完成大量的工程试验数据，因此我国的规范内容规定得非常细，条文非常复杂，专业人员要花大量的时间来学习新规范，要做到各种结构规范能够融会贯通更是需要相当丰富的专业知识和工程实践经验。
从2003年开始，我国的建筑结构工程设计将全部采用新的国家规范，所有相关的建筑结构计算与设计软件也必须满足新规范的要求，不能满足新规范的软件将不能继续使用。在新规范中，有两点与旧规范具有根本性的区别：1)结构的安全度在新规范里有较大的提高，相应的规范条文变动较大；2)提出了强制性条文的概念，即在结构工程设计中强制性的、必须遵守的相关条文规定。
二、CSI与ETABS
美国Computer and Structures Inc. (CSI) 公司的主要创始人都是师从工程计算领域权威Edward L. Wilson教授从加州大学Berkeley分校毕业的，Wilson教授现在也是CSI公司的首席技术顾问。除了ETABS外，CSI还拥有SAP2000（通用有限元分析软件）、SAFE（基础和楼板设计软件）等业界公认的技术领先软件产品。
ETABS是由CSI公司开发研制的房屋建筑结构分析与设计软件，ETABS已有近三十年的发展历史，是美国乃至全球公认的高层结构计算程序，在世界范围内广泛应用，是房屋建筑结构分析与设计软件的业界标准。目前，ETABS已经发展成为一个建筑结构分析与设计的集成化环境：系统利用图形化的用户界面来建立一个建筑结构的实体模型对象，通过先进的有限元模型和自定义标准规范接口技术来进行结构分析与设计，实现了精确的计算分析过程和用户可自定义的（选择不同国家和地区）设计规范来进行结构设计工作。
ETABS除一般高层结构计算功能外，还可计算钢结构、钩、顶、弹簧、结构阻尼运动、斜板、变截面梁或腋梁等特殊构件和结构非线性计算（Pushover， Buckling，施工顺序加载等），甚至可以计算结构基础隔震问题，功能非常强大。
ETABS已经贯入的规范包括：UBC94、UBC97、IBC2000、ACI、ASCE（美国规范系列），欧洲规范以及其他国家和地区的规范。ETABS在全世界超过100个国家和地区销售，超过10万的结构工程师在用它来做设计工作。
代表当今科技发展水平的集成建筑设计系统ETABS，被美国钢结构协会（AISC）授予2002年现代钢结构建筑荣誉产品奖（HOT PRODUCTS HONOR AWARD）。在过去的二十五年中，ETABS被公认为建筑分析设计国际标准，为世界上主要的标志性建筑所采用，该软件也被数以千计的教育机构作为研究和教育工具。如今，新版的ETABS带有完全集成的面向对象的分析、设计、优化、制图和加工数字环境将要在未来的二十五年中重新确立数字技术及其生产力的标准，并且引领一个新的数字技术时代。直观的、功能强大的、基于数字技术的图形用户界面使得工程师能够在几个小时内进行完全的设计，组织平面和确定用钢量，不需要烦琐的循环手工确定构件尺寸来满足强度和位移要求。ETABS新的复杂分析方法解决了结构工程师努力了几十年的建筑设计的许多难点，如计算楼板作为传递剪力的隔板的剪应力和隔板Chord & Collector力，泊车结构、直线和曲线斜坡的建模，节点板区变形效果建模，施工过程加载效应以及很多很多。2001年，由于GUI的潜力和ETABS技术上的领先，AISC委托CSI建立一个特殊模板支持交错桁架设计。AISC与CSI合作开展了一系列国际研讨会来探讨交错桁架结构体系的设计方法，ETABS已经实现了解决交错桁架设计中复杂问题的功能。
由于以前ETABS没有引入我国规范，不能在设计中直接应用，但ETABS已在我国局部地区得到广泛认可和使用，作为结构方案选型、设计校核常用软件。随着中国加入WTO，越来越多的外国设计公司将进入中国市场，同时我们的设计单位也将逐步参与国际性的设计竞争，所以了解和使用国外的设计规范对中国的设计人员来讲也十分重要。
中国建筑标准设计研究所同美国CSI公司展开全面合作，已将中国设计规范全面地贯入到ETABS中，即将推出中文版的ETABS软件，2003年我们还将陆续引入SAP2000、SAFE等软件并进行相应的规范贯入工作。此举将为中国的工程设计人员提供优质服务，提高我国的工程设计整体水平，同时也引入国外的设计规范供我国的设计和科研人员使用和参考研究，在工程设计领域逐步与发达国家接轨，具有战略性的意义。
三、ETABS主要功能概述
1．ETABS特点概述
ETABS已经发展成为一个集成化的建筑结构分析与设计软件，她采用独特的图形操作界面系统（GUI），利用面向对象的操作方法来建模，编辑方式与AutoCAD类似，可以方便地建立各种复杂的结构模型，同时辅以大量的工程模板，大大提高了用户建模的效率，并且可以导入导出包括AutoCAD在内的常用格式的数据文件，极大地方便了用户的使用。在ETABS集成环境中，所有的工作都源自一个集成数据库中进行操作。基本的概念是你只需创建一个由楼层和垂直及水平的结构系统就可以进行分析和设计整个建筑物。所需的功能都集成到一个通用的分析和设计系统的用户界面中，无需外部模块来维护且不需关心模块之间的数据传输。当更新模型时，结构的一部分变化导致另一部分的影响都是同时和自动的。ETABS允许基于对象模型的钢结构和混凝土结构系统建模和设计，复杂楼板和墙的自动有限单元网格划分，在墙和楼板之间节点不匹配的网格进行自动位移插值，外加Ritz法进行动力分析,包含膜的弹性效应在分析中很有效。
ETABS集成了荷载计算、静动力分析、线性和非线性计算等所有计算分析为一体，容纳了最新的静力、动力、线性和非线性分析技术，计算快捷，分析结果合理可靠，其权威性和可靠性得到了国际上业界的一致肯定。
ETABS集成了大部分国家和地区的现有结构设计规范，她已经将美国、加拿大、欧洲规范和中国规范纳入其中，可以完成绝大部分国家和地区的结构工程设计工作。
在一个统一的集成环境中进行建模，修改，分析，设计优化，并查看结果
采用平面，立面和自定义视平面进行功能强大的3D建模
n 开始时有多种自动模板来适应不同类型的建筑
n 面向对象的实体单元建模，允许采用较大的单元而不需要在每个节点都进行划分
n 强大的类似CAD的编辑特点
n 任何时候均可以改变使用的单位制
n 完全集成的截面设计工具允许定义复杂的截面
n 具有最新的静力、动力、线性和非线性分析技术
n 采用美国、加拿大、欧洲和中国规范进行完全交互式钢及混凝土框架设计
n 采用美国、加拿大、欧洲和中国规范进行完全交互式组合梁设计
n 采用美国、加拿大、欧洲和中国规范进行完全交互式剪力墙设计
n 屏幕直接显示分析与设计结果
n 动画显示变形、振型、应力轮廓、时间关系曲线等结果
n 导入、导出模型到通用文件格式
n 上下文相关的联机帮助

图1 ETABS与SAP2000、SAFE和AutoCAD以及其他应用程序之间的数据交换

2．ETABS的单元库
ETABS的单元库十分丰富，几乎囊括了所有建筑结构分析能够用到的单元，包括框架单元（梁柱单元）、壳体单元（墙板单元）、弹簧单元、连接单元和塑性铰单元等。

图2 利用完全集成化的截面设计工具可以定义复杂的截面形式

1）3D梁、柱、支撑（框架）单元（Frame Element）
l 多段非异性单元长度划分
l 任何方向的集中荷载,均布荷载,梯形荷载
l 温度荷载
l 端部偏移量自动估算
l 弯矩剪力释放
l 内置钢构件截面
l 节点偏移、参考点和截面镜像(joint offsets， cardinal point and mirroring of section)
l 折减梁截面“狗骨”模型选项(option for reduced beam section “dog-bone” modeling)
2）3D壳体单元（Shell Element）
l 一般四边形和三角形单元
l 各项同性材料特性
l 每结点6个自由度
l 壳、板、膜作用
l 厚壳选项
l 重力、均布压力、风压系数以及温度加载

图3 多段非棱柱形单元长度划分

3）弹簧单元（Spring Element）
l 连接地（支座）的弹簧
l 耦合6×6用户定义弹簧刚度选项（基础建模）
4）连接单元（Link Element）
l 任何两点或点到地（支座）之间的连接
l 多线性弹性（Multilinear Elastic）
l 与速度项相应的非线性粘滞阻尼
l 缝（只在压时）和钩（只在拉时）
l 单轴塑性（6个自由度）
l 双轴塑性效应的基础隔离体
l 摩擦和/或钟摆效应的基础隔离体

图4 静力和动力非线性分析中的框架塑性铰单元

5）静力和动力非线性分析中的框架塑性铰单元（Frame Plastic Hinge Element）
l 轴向，弯曲，剪切，扭转铰
l 轴向双轴弯矩相互作用
l 包括软化的多线性效应（Multilinear behavior including softening）
3．ETABS的分析功能
ETABS分析计算功能十分强大，这是国际上业界的公认事实，可以这样讲，ETABS是高层建筑分析计算的标尺性程序。她囊括几乎所有结构工程领域内的最新结构分析功能，二十多年的发展，使得ETABS积累了丰富的结构计算分析经验，从静力动力计算，到线性非线性分析，从P-Delta效应到施工顺序加载，从结构阻尼器到基础隔震，都能运用自如，为工程师提供经过大量的结构工程检验最可靠的分析计算结果。
ETABS包含了强大的塑性分析功能，既能满足结构弹性分析的功能，也能满足塑性分析的需求，如材料非线性、大变形、FNA（Fast Nonlinear Analysis）方法等选项。在Pushover分析中包含FEMA 273、ATC-40规范、塑性单元进行非线性分析。更高级的计算方法包括非线性阻尼、推倒分析、基础隔震、施工分阶段加载、结构撞击和抬举、侧向位移和垂直动力的能量算法、容许垂直楼板震动问题等。
n 静力线性分析
n 静力非线性分析
n 力或位移控制
n 施工过程（施工阶段加载）
n 可以实现对包括有效阻尼的推倒（Pushover）过程分析的特殊情况，容许反应谱（Capacity Spectrum）和需求谱（Demand Spectrum）对比
n 非线性框架，索和连接单元
n P-Delta效应分析
n 大变形分析
n 振型分析
n 加速子结构迭代算法的特征值分析
n 优化振型迭代Ritz分析
n 包括P-Delta，大位移和施工加载等效应
n 动力反应谱分析
n 用SRSS，CQC，GMC(Gupta) 方法进行振型组合
n 用SRSS或绝对值相加方法乘因子进行方向组合
n 动力线性和非线性时程分析
n Wilson FNA方法
n 地动加速度激励（Ground acceleration excitation）
n 多基激励（Multiple base excitation）
n 加载函数
n 瞬变或稳定状态（Transient or steady state）
n 非线性连接单元
n 图形和表格显示节点和单元时程记录
n 函数对时间或函数对函数显示
n 加速度任意分量合成以生成反应谱曲线
n 自动施工顺序加载
n 任意形状立面的风荷载加载
n 用电子表格输入风洞试验的横向荷载
4．ETABS的设计功能
ETABS采用完全交互式图形方式进行结构设计，可以同时设计钢筋混凝土结构、钢结构和混合结构，运用多种国际结构设计规范，使得ETABS的结构设计功能更加强大和有效，同时可以进行多个国家和地区的设计规范设计结果的对比
针对结构设计中烦琐的反复修改截面、计算、验算过程，ETABS采用结构优化设计理论可以对结构进行优化设计，针对实际结构只需确定预选截面组和迭代规则，就可以进行自动计算选择截面、校核、修改的优化设计。同时，ETABS内置了Section Designer截面设计工具，可以对任意截面确定截面特性。
n 钢框架设计
n 混凝土框架设计
n 组合梁设计
n 剪力墙设计
n 延性和非延性设计
n 设计包络图的构件归并
n 钢框架单元位移自动优化
n 混凝土柱的两轴荷载—弯矩相互作用图
n 强柱弱梁优化设计
n 钢和混凝土设计时应力比阈值自动控制
n 增强的垂直荷载从楼层到主梁和墙的传递
n 半刚度楼面模型增强的自动网格划分
n 对楼面和墙的不匹配单元自动进行网格匹配
n 针对目标周期进行框架单元尺寸优化
n 针对均匀分布钢筋的剪力墙简化设计
n 在剪切设计中考虑扭转效应自动细分3D剪力墙
n 合并墙板成为3D截面的墙单元以消除交迭
n 容许楼面单元参与剪力墙的连梁定义
n 用户输入应力应变曲线以建立弯矩曲线
n 基于恒活荷载比（DL/LL Ratios）的活荷载折减一般曲线
n 同SAFE完全相同的几何、加载和分析接口
Ø 钢框架设计支持以下设计规范
ü AISC ASD 89
ü AISC LRFD 93
ü BS 5950-90
ü BS 5950-2000
ü CISC 95
ü Eurocode 3-1993
ü UBC 97 ASD
ü UBC 97 LRFD
ü 中国相关规范

Ø 混凝土框架设计支持以下设计规范:
ü ACI 319-99
ü BS 8110 89
ü BS 8110 97
ü CSA-A23.93-94
ü Eurocode 2-1992
ü Indian IS 456-2000
ü Maxian RCDF 2001
ü NZS 3101-95
ü UBC 97
ü 中国相关规范
Ø 组合梁设计支持以下设计规范
ü AISC ASD 89
ü AISC LRFD 93
ü BS 5950-90
ü CISC 95
ü 中国相关规范
Ø 剪力墙设计支持以下设计规范
ü ACI 318-99
ü BS 8110 89
ü BS 8110 97
ü CSA-A23.3-94
ü UBC 97
ü 中国相关规范
图5 混凝土框架设计
图6 钢框架设计

NFO:

代码

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