结构概念设计与常用结构计算软件

结构概念设计与常用结构计算软件

武鹍

(铁道部第二设计院建筑院,四川成都610031)

【摘　要】　概念设计是结构设计的核心和灵魂,它统领结构设计的全过程。运用结构概念设计从整体上把握结构的各项性能,这样才能对计算分析结果进行科学的判断、合理的采用。

【关键词】　结构概念设计;　结构计算软件;　分析模型

【中图分类号】　T U311.41 【文献标识码】　A

随着计算机结构分析软件的广泛应用和普及,它使人们摆脱了过去必须的大量手工计算,工作效率得以大幅度的提高。与此同时,人们对结构计算软件的依赖性也越来越大,有时甚至过分地相信计算软件,而忽略了结构概念设计的重要性。

1　结构概念设计的重要性

概念设计是展现先进设计思想的关键,一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计,并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。但是随着社会分工的细化,部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计,缺乏创新,拒绝对新技术、新工艺的采纳。部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天,对计算机结果明显的不合理,甚至错误而不能及时发现。

强调概念设计的重要,主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性。比如对混凝土结构设计,内力计算是基于弹性理论的计算方法,而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法,这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远。为了弥补这类计算理论的缺陷,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。同时计算机结果的高精度特点,往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解,结构工程师只有加强结构概念的培养,才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。概念设计之所以重要,还在于在方案设计阶段,初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念,选择效果最好、造价最低的结构方案。为此,需要工程师不断地丰富自己的结构概念,深入、深刻了解各类结构的性能,并能有意识地、灵活地运用它们。

2　结构计算软件的局限性、适用性和近似性

由于种种原因,目前的结构计算软件总是存在着一定的局限性、适用性和近似性,并非万能。如:结构的模型化误差;非结构构件对结构刚度的影响;楼板对结构刚度的影响;温度变化在结构构件中产生的应力;结构的实际阻尼(比):回填土对地下室约束相对刚度比;地基基础和上部结构的相互作用等等。有些影响因素目前还无法给出准确的模型描述,也只能给出简化的表达或简单的处理,受人为影响较大。加之建筑体型越来越复杂,这就对结构计算软件提出了更高的要求,而软件本身往往又存在一定的滞后性。正是因为如此,结构工程师应对所用计算软件的基本假定、力学模型及其适用范围有所了解,并应对计算结果进行分析判断确认其正确合理、有效后方可用于工程设计。

3　现阶段常用的结构分析模型

实际结构是空间的受力体系,但不论是静力分析还是动力分析,往往必须采取一定的简化处理,以建立相应的计算简图或分析模型。目前,常用的结构分析模型可分为平面结构空间协同分析模型和三维空间有限元分析模型两大类。3.1　平面结构空间协同分析模型

将结构划分若干片正交或斜交的平面抗侧力结构,但对任意方向的水平荷载和水平地震作用,所有正交或斜交的抗侧力结构均参与工作,并按空间位移协调条件进行水平力的分配。因楼板假定在其自身平面内刚度无限大,故这一分析模型目前已经很少采用。其主要适用于平面布置较为规则的结构。

3.2　三维空间有限元分析模型

将建筑结构作为空间体系,梁、柱、支撑均采用空间杆单元,剪力墙单元模型目前国内有薄壁杆件模型、空间膜元模型、板壳单元模型以及墙组元模型。楼板可假定为弹性,也可假定在其自身平面内刚度无限大,还可假定楼板分块无限刚。该模型以节点位移为未知量,由矩阵位移法形成线性方程组求解。

4　常用结构计算软件

多、高层结构的基本受力构件有柱、梁、支撑、剪力墙和楼板。柱、梁及支撑均为一维构件,可用空间杆单元来模拟其受力状态。空间杆单元的每个端点有6个自由度,即3个平动自由度和3个转角自由度。对一维构件,各种有限元分析软件对这类构件的模型化假定差异不大。剪力墙和普通楼板均为二维构件,这两种构件的模型化假定是关键,它直接决定了多、高层结构分析模型的科学性,同时也决定了软件分析结果的精度和可信度。日前国内外流行的几个结构计算软件对剪力墙和楼板的模型化假定差异较大。

4.1　T A T结构计算软件

T A T是由中国建筑科学研究院开发的建筑结构专用软[收稿日期]2006-04-06

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　·工程结构·　

件,采用菜单操作,图形化输入几何数据和荷载数据。程序对剪力墙采用开口薄壁杆件模型,并假定楼板在平面内刚度无限大,平面外刚度为零。这使得结构的自由度大为减少,计算分析得到一定程度的简化,从而大大提高了计算效率。薄壁杆件模型采用开口薄壁杆件理论,将整个平面联肢墙或整个空间剪力墙模拟为开口薄壁杆件,每个杆件有两个端点,每个端点有7个自由度,前6个自由度的含义与空间杆单元相同,第7个自由度是用来描述薄壁杆件截面翘曲的。开口薄壁杆件模型的基本假定为:

(1)在线弹性条件下,杆件截面外形轮廓线在其自身平面内保持不变,在平面外可以翘曲,同时忽略其剪切变形的影响。这一假定实际上增大了结构的刚度,薄壁杆件单元及其墙肢越多,则结构刚度增大的程度越高。

(2)将同一层彼此相连的剪力墙墙肢作为一个薄壁杆件单元,将上下层剪力墙洞口之间的部分作为连梁单元。这一假定将实际结构中连梁对墙肢的线约束简化为点约束,削弱了连梁对墙肢的约束,从而消弱了结构的刚度。连梁越多,连梁的高度越大,则结构刚度消弱越大。

(3)引入楼板在其自身平面内刚度无限大,而平面外刚度为零的假定。

实际工程中许多布置复杂的剪力墙难以满足薄壁杆件模型的基本假定,从而使计算结果难以满足工程设计的精度要求。如:

变截面的剪力墙:在平面布置复杂的建筑结构中,常存在薄壁杆件交叉连接、彼此相连的薄壁杆件截面不同,甚至差异较大的情况。由于这些薄壁杆件的扇形坐标不同,其翘曲角的含义也不同,因而由截面翘曲而引起的纵向位移不易协调,会导致一定的计算误差。

长墙、矮墙:由于薄壁杆件模型不考虑剪切变形的影响,而长墙、矮墙是以剪切变形为主的构件,其几何尺寸也难以满足薄壁杆件的基本要求,采用薄壁杆件理论分析这些剪力墙时,存在着较大的模型化误差。

多肢剪力墙:薄壁杆件模型的一个基本假定就是认为杆件截面外形轮廓线在自身平面内保持不变,在墙肢较多的情况下,该假定会导致较大误差。

框支剪力墙:框支剪力墙和转换梁在其交接面上是线变形协调的,而采用薄壁杆件理论分析框支墙时,由于薄壁杆件是以点传力的,作为一个薄壁杆件的框支墙只有一点和转换梁的某点的变形是协调的,这必然会带来较大的计算误差。

框架梁与剪力墙的连接:在一般情况下和剪力墙垂直相连的框架梁,其受剪力墙的约束并不强,梁这一端的弯矩一般并不大。但用薄壁杆件理论分析剪力墙时,梁要通过刚臂与薄壁杆件的剪心相连,其结果是强化了剪力墙对梁端的嵌固作用,使梁端弯矩的计算值偏大。

柱、墙上下偏心:程序将自动在上柱(薄壁)的下端加一水平刚域,刚域的存在对结构整体刚度有较大的影响。

此外,对悬挑剪力墙、无楼板约束的剪力墙等也不适合采用薄壁杆件单元计算。

T A T软件适合于框架、框架-剪力墙、剪力墙及筒体结构,但应用时应根据结构的实际情况对剪力墙进行处理,以减小计算误差。如:

剪力墙的输入处理:对长度超过8m的剪力墙和多肢剪力墙应在适当的位置,按照使每个薄壁柱的刚度尽量均匀的原则人为设置计算洞口,这样可使薄壁柱的受力更符合实际。当洞口较小时,在实际施工时按无洞处理。

剪力墙洞口的处理:因为T A T采用薄壁柱模型,每层薄壁柱上下各有一个节点与上下层的柱、薄壁柱或无柱节点相连,通过这样的连系将上下层力传递计算。当上下层洞口不对齐时,由于洞口会切割一个薄壁柱为2个或更多,造成上下层节点不一一对应,使上下层传力混乱,这时应采用简化的方法进行处理。剪力墙洞口一般分对齐、开通、忽略三种处理方法。

框支剪力墙的处理:对于框支剪力墙,用薄壁柱模拟的剪力墙就有个传力问题。上部薄壁柱只能传力给下面一个点,而下部往往是由多个点来支撑上部剪力墙的,这时应对框支梁上部的剪力墙进行离散化处理,将计算产生的误差控制在局部平面内,这样才能在结构的整体分析中得到一个比较满意的结果。然后再利用高精度平面有限元程序对关键部位进行细致的内力分析。

4.2　SA T W E结构计算软件

SA T WE是专门为多、高层建筑结构分析与设计而研制的空间结构有限元分析软件,适用于各种复杂体型的高层钢筋混凝土框架、框剪、剪力墙、筒体结构等,也适用于混凝土-钢混合结构和高层钢结构。

SA T WE是用墙元来模拟剪力墙。SA TW E中的墙元是在板壳单元的基础上构造出的一种通用墙元,它采用静力凝聚原理将由于墙元的细分而增加的内部自由度消去,将其刚度凝聚到边界节点上,从而保证了墙元的精度和有限的出口自由度。墙元的每个节点都具有空间全部6个自由度,可以方便地与任意空间梁、柱单元连接,而无需任何附加约束,同时也降低了剪力墙的几何描述和板壳单元划分的难度,提高了分析效率。板壳单元是目前模拟剪力墙的最理想单元, SA T WE选用这一单元并对墙元的细分和墙上开洞作了自动化处理。

板壳单元模型的主要特点是用每一节点6个自由度的壳元来模拟剪力墙单元。剪力墙既有平面内刚度,又有平面外刚度;楼板既可以按弹性考虑,也可按刚性板考虑,这是一种接近实际情况的模型。该模型的特点是:(1)具有平面内、外刚度,可与空间任何构件连接,较好地反映剪力墙真实受力状态,其刚度与实际刚度较为一致。(2)通过静力凝聚形成的墙元来模拟剪力墙,解决了剪力墙模型化的问题。(3)允许剪力墙洞口不对齐,适用于较复杂的结构,较真实地分析出剪力墙的内力和变形。(4)结构自由度数目增多,计算工作量增加,计算效率有所降低。

SA T WE在对楼板的处理上采用了四种不同的假定:假定楼板整体平面内无限刚;假定楼板分块平面内无限刚;假定楼板分块平面内无限刚,并带有弹性连接板带;假定楼板为弹性板。为提高计算效率,在保证一定的分析精度的前提下,针对不同类型的工程,采用不同的楼板假定。

在使用SA T W E软件时,值得注意的有两点:(1)墙元的

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