常用結構計算軟件與結構概念設計探討
摘要近幾年,隨著在結構計算軟件日益普及的今天,結構分析和設計的軟件也有所增加。設計人員只需作必要的數據輸入,計算機就會給出計算分析結果。設計師的設計工作對結構計算軟件的依賴性也越來越大,從而忽略結構概念設計的重要性,就幾種目前使用的軟件的基本功能進行闡述,重視概念設計對建筑結構設計至關重要,是一種綜合設計能力的體現,能較好地提高建筑結構的設計質量。
關鍵詞建筑結構設計;結構軟件有限元分析ETABS剪力墻單元
中圖分類號TP3文獻標識碼A文章編號1673-9671-(2010)041-0139-01
本文基于對軟件的應用體會,提出一些觀點與廣大工程師進行討論。內容涉及基本的有限元分析技術和相關軟件的技術要點討論。
1剪力墻的單元形式
在高層結構分析和設計中,剪力墻所使用的單元形式以及計算結果的精度是個關鍵問題,也是我們最為關注的問題,可以說這一技術要點的不斷進步也伴隨著結構軟件的不斷更新及發(fā)展。
在國內最早的剪力墻單元模型是基于薄壁柱理論,它們也應用于早期TBSA和TAT等國內較早的結構分析軟件中,目前這些程序仍然在結構分析設計工程實踐中使用,因此,現在工程師一般不使用此類程序計算帶有剪力墻的結構。另一種處理方法為墻板元體系,墻板元單元模型主要是由(核心墻板元,邊柱和平面剛性梁)幾種不同特性的單元,共同組成的剪力墻單元模型,它能夠同時考慮平面內和平面外剛度,其未知量較少,計算的精度比較高。目前清華大學建筑設計研究院編寫的TUS通過增加內部節(jié)點的方式形成了一種改進型墻板元,并且在目前的程序版本中使用。
另外一種處理方法是以中國建筑科學研究院PKPM工程部SATWE程序為代表的墻元模型,它是基于子結構基本思想和靜力凝聚原理所形成的剪力墻單元模型,能夠較好地模擬剪力墻的受力狀態(tài)。與墻板元相比,對于洞口的大小和位置處理也比較靈活,因為凝聚了自由度,計算速度提高很多。但是墻元模型內部進行了程序默認的單元簡化處理,因此必須有特定的內力輸出和輸入端口,在某些情況下存在單元精度不足的缺陷,且剪力墻開邊洞等一些情況處理得不夠準確。
從剪力墻本身的幾何特征和受力特性分析,與殼元最接近,殼元既具有平面內剛度,又具有平面外剛度,并可以進行任意的剖分,這些都是作為剪力墻模型有利的特性,也是合理的模型形式。但是用殼元模擬剪力墻用于實際工程的結構設計存在一定的困難―基于精確細分模型得到準確分析結果的基礎上,設計的進行和設計結果的輸出,也就是后處理問題。因為如果使用殼元來模擬剪力墻,為了得到較好的分析精度,必須對其進行剖分,而不同的工程師及不同的工程類型的精度需求可能需要不同的剖分細度。分析完成之后,如果程序輸出的是剪力墻每個單元的內力結果和配筋結果是很復雜的,也不可能在實際工程中使用。另外的問題是因為采用單元剖分精確模擬結構的受力和變形特性,與墻元相比需要較長的計算時間。
目前,ETABS在處理結果被眾多工程師接受的有限元軟件之一。在ETABS中剪力墻使用真實的殼元模型,工程師可以根據需要按個數或最大尺寸方式進行殼元的有限元劃分,ETABS還提出了剪力墻標簽和連梁標簽的概念,也就是在單元劃分的基礎上,剪力墻的內力輸出和設計的執(zhí)行及輸出都是基于標簽來做的,工程師可以通過標簽的指定和修改任意控制剪力墻設計的單個對象范圍,這就解決了殼元剪力墻模型后處理方面的不足。ETABS可以對剪力墻基于各種規(guī)范及理論的設計,ETABS中文版在保留了大部分剪力墻設計方法的基礎上,將中國規(guī)范的剪力墻設計方法完整地貫入到了原程序中,并且在剪力墻開洞方法等方面都作了很多的改進。
基于有限元分析理論,單純的膜元本身不能夠單獨作為剪力墻單元模型在有限元結構分析軟件中進行使用,適用范圍是不考慮空間整體性的手算方式。膜元只具有平面內剛度,不具有平面外剛度,這對于剪力墻的受力特性顯然是不科學的。對于膜元來做剪力墻,因為膜元沒有平面外剛度,因此其在平面外一定會發(fā)生非常的變形。因此,膜元是不能獨立作為剪力墻模型的,除非象墻板元模型一樣與其他單元來配合使用,由其他單元來來補充考慮剪力墻對于平面外作用的抵抗能力。
目前建筑設計中平面布局要求,大面積的樓板開洞,或復雜平面布局,多塔聯體結構中,剛性樓板的假定已經不再滿足結構有限元分析的實際需要,因此越來越多的結構需要采用真實的彈性樓板驗算。ETABS程序提供了多種需求情況下真實的彈性樓板模型,可以僅考慮平面內剛度,最大限度地減少單元的數量;也可以僅考慮平面外剛度,需要時可以考慮剪切變形的影響;還可以同時考慮平面內和平面外的剛度,進行真實的殼元彈性樓板分析,不同單元形式的樓板真實參與結構的整體分析。在ETABS中如果需要也可以進行剛性樓板的假定,并且可以在同一樓層中指定多塊剛性隔板,不同的剛性隔板間保持彈性連接,這樣可以滿足更復雜的多塔及聯體結構的需要。
2網格不匹配時自動線約束的作用
正如我們前面所談到的,通用有限元程序在結構分析中使用時,為了保證結果的精確性必須進行一定程度的單元細分,特別是對于面單元和實體單元。在單元細分過程中,同為面單元的剪力墻、連梁及樓板剖分過程中,由于工程實際的幾何復雜性,很難保證剖分之后單元節(jié)點之間的精確對位連接,此時在結構分析過程中便會產生節(jié)點不匹配處的變形不協(xié)調。
由于節(jié)點的不匹配,相關節(jié)點處也不會有內力傳遞,為了避免這一點,在一般通用有限元程序中,工程師必須對剪力墻和連梁進行進一步剖分以便獲得節(jié)點匹配的結果,如果模型中使用殼元樓板模型,那么考慮樓板與剪力墻間的剖分匹配問題將是更復雜耗時的問題。
基于這一問題,在ETABSV8版本中,引入了面單元自動線約束的概念,自動線約束的含義是在結構單元剖分不匹配時,在不匹配的節(jié)點自動生成一個過渡的線約束,保證單元節(jié)點的變形協(xié)調及內力傳遞。ETABS解決了單元剖分的節(jié)點匹配問題,也解決了通用有限元程序用于結構分析設計實踐工作中的第二個障礙,因為人工解決這一問題是繁雜耗時的工作,是不被工程實踐所接受的。也正因為很好地解決了剪力墻后處理問題和單元剖分的節(jié)點匹配問題,ETABS才成為建筑結構設計領域最為工程師接受的通用有限元分析與設計軟件,在全球得到了最廣泛的應用和推廣。
3ETABS中連梁采用梁單元
對于結構模型中連梁的處理,ETABSV8版本保留了按殼元模擬連梁和按梁元模擬連梁兩種方式,工程師可以根據實際工程的需求來進行選擇,但一般情況下程序還是建議使用殼元模擬連梁單元。因為線單元模擬連梁時,連梁與剪力墻的平面內剛度差距較大,內力分配會出現問題,相交節(jié)點位置也會出現應力集中。殼元模擬的連梁真實反映了連梁的高度幾何特性,符合連梁的受力特性,其與剪力墻墻肢間至少有4個節(jié)點相連,內力分配會更為合理。
4ETABS等同于TAT
對有限元發(fā)展及結構有限元輔助分析程序的發(fā)展,SAP程序是世界上第一套結構三維有限元分析程序。而ETABS程序是為了方便建筑結構分析和設計的使用而在SAP系列程序的基礎上升級而來的,其基本理論和核心計算部分與SAP是完全一致的。與SAP程序相比,ETABS程序在保持結構空間三維分析的基礎上,為了便于建筑結構分析設計的使用,作了很多操作方面和數據結果輸出方面的改進。比如SAP中沒有樓層概念,ETABS中則具有清晰的樓層概念;ETABS中具有梁和柱不同的線對象,在SAP中統(tǒng)一作為線對象來處理;SAP只對剪力墻作分析,不對其進行設計,在ETABS中具有詳細的剪力墻設計等后處理功能。
參考文獻
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